Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева технологических жидкостей, а также теплоносителя для электроотопления и питьевой воды. Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости содержит 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, при этом 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. Предложенный индуктивно-кондуктивный нагреватель имеет пониженную материалоемкость; увеличенную теплопроизводительность; равномерную электрическую нагрузку фаз и повышенные энергетические показатели (КПД и cos ϕ), а также равномерное движение потока жидкости, снижающее отложения солей на стенках камеры и повышающее срок службы; расширенные функциональные возможности нагревателя за счет одновременного нагрева двух и более жидкостей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева технологических жидкостей, а также теплоносителя для электроотопления и питьевой воды.
Индукционные нагреватели жидкости известны давно, например "сосуд, который использует для индуктивно-кондуктивного нагрева жидкости железный сердечник трансформатора" (патент Германии №329131 с приоритетом от 22 января 1918 г.), не получивший практического применения из-за большой удельной материалоемкости и низких коэффициента преобразования электроэнергии в тепловую (КПД) и коэффициента мощности (cosϕ).
Однако неоспоримые преимущества низкочастотных (50, 60 Гц) индукционных нагревателей жидкости применительно к современным требованиям электробезопасности и пожаробезопасности в сравнении с резистивными нагревателями (ТЭНовыми) и электродными (для воды) обусловили повышенный интерес к новым конструкциям индукционных нагревателей. К ним относится, например, индуктивно-кондуктивный электронагреватель жидкости (по заявке Франции №2565059, МКИ Н05В 6/10), позволяющий использовать конструктивное исполнение и технологию изготовления традиционных трехфазных трансформаторов, содержащий шихтованный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде короткозамкнутого змеевика из электропроводящих трубок, в которых находится жидкость, нагреваемая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки.
К недостаткам этого электронагревателя относятся ограниченный коэффициент мощности ввиду повышенного магнитного потока рассеяния, связанного с многовитковой вторичной обмоткой; неравномерный нагрев электропроводящих трубок по сечению, приводящее к локальному перегреву и устойчивого парообразования, вызывающего интенсивное отложение солей, уменьшение сечение трубопровода; повышенное гидродинамическое сопротивление греющих трубок змеевика и повышенные потери мощности на циркуляцию жидкости.
Известен индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости с улучшенным коэффициентом мощности (патент США №4602140, МКИ Н05В 6/10, НКИ 219-10.51), содержащий трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, на стержнях которого намотана первичная обмотка, подключаемая к сети переменного тока. Вторичная обмотка, индукционно связанная с первичной обмоткой через сердечник, представляет собой одновитковую систему прямых трубок из электропроводящего материала, проходящих вне стержней сердечника перпендикулярно к ним и параллельно виткам первичной обмотки, и электрически замкнутых на концах электропроводными немагнитными пластинами. Эта система трубок, нагреваемых индукционными токами, представляет собой теплообменник (камеру нагрева), в котором нагревается теплоноситель.
К недостаткам этого нагревателя относятся малая поверхность теплоотдачи, что вызывает повышенные удельные поверхностные тепловые нагрузки, вызывающие накипеобразование в трубках, и повышенные потери энергии на циркуляцию теплоносителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является принятый за прототип индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости (свидетельство на полезную модель RU №21709 U1, 7 Н05В 6/10), содержащий трансформатор с ферромагнитным сердечником с расположенными на стержнях первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева. Камера нагрева выполнена 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 трансформатора. Камера нагрева снабжена перемычками, образующими замкнутые электропроводящие контуры.
К недостаткам прототипа относятся:
повышенная материалоемкость в связи с большой поверхностью оболочки камеры нагрева, выполненной из электропроводящего материала и охватывающей все стержни трансформатора;
неравномерное тепловыделение в стенках камеры нагрева ввиду различной плотности тока в стенках камеры, приводящее к снижению теплопроизводительности устройства;
неравномерная электрическая нагрузка фаз устройства из-за электрической несимметрии камеры нагрева, вызывающая снижение энергетических показателей (КПД и cos ϕ) всего нагревателя;
неравномерное движение потока жидкости, способствующее перегреву периферийных зон камеры нагрева и усилению отложений солей на стенках камеры, т.е. снижению срока службы;
ограниченные функциональные возможности, т.к. исключен одновременный нагрев двух и более жидкостей.
Задачей изобретения является создание индуктивно-кондуктивного нагревателя жидкости с пониженной материалоемкостью, увеличенной теплопроизводительностью, повышенными энергетическими показателями (КПД и cos ϕ), повышенным сроком службы, расширенными функциональными возможностями.
Поставленная задача достигается тем, что в индуктивно-кондуктивном нагревателе, который содержит трансформатор с ферромагнитным сердечником и расположенными на стержнях первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходным патрубками для нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых установлен стержень трансформатора, камера нагрева разделена на идентичные части по числу стержней трансформатора, причем указанные входной и выходной патрубки и сквозной канал с установленным в нем стержнем трансформатора расположены в каждой из частей камеры нагрева.
Также каждая часть камеры нагрева может быть снабжена электропроводящими замкнутыми контурами, установленными внутри нее.
На чертеже представлен предлагаемый индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости на примере использования трехфазного трансформатора, который содержит шихтованный ферромагнитный сердечник 1 с расположенной на стержнях сердечника первичной обмоткой 1, подключаемой к сети.
Вторичная обмотка трансформатора является камерой нагрева, которая выполнена в виде трех (по количеству стержней сердечника) цилиндрических пустотелых частей 3 с входным 4 и выходным 5 патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, каждая часть имеет сквозной вертикальный канал 6 с электропроводящими стенками 7, в котором с зазором установлен стержень сердечника 1. Между поверхностями стенок 7 и первичной обмоткой 2 имеются воздушные промежутки.
Каждая часть 3 выполнена из листового материала, при этом цилиндрические электропроводящие стенки 7 сквозных каналов 6, нижнее 8 и верхнее 9 торцевые основания, образующие цельность и непроницаемость для нагреваемой жидкости объема части 3 камеры (например, с помощью сварки), могут выполняться разной толщины и из разных материалов.
Каждая часть 3 камеры нагрева может быть снабжена замкнутыми электропроводящими контурами различных размеров и формы, например в виде цилиндра 10, установленных внутри каждой части 3.
Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости функционирует следующим образом. После заполнения частей 3 камеры нагреваемой жидкостью первичная обмотка 2 подключается к сети переменного тока и в стержнях сердечника 1 трансформатора создаются магнитные потоки. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в стенках 7 каналов 6, а также контурах, образованных цилиндрами 10, индуцируются токи, вызывающие нагрев частей 3 камеры. В нижнем 8 и верхнем 9 основаниях частей 3 камеры индуцируется система вторичных токов, вызывающая дополнительное тепловыделение и соответствующий подогрев (снизу и сверху) жидкости в частях 3 камеры.
Технический эффект предлагаемого индуктивно-кондуктивного электронагревателя жидкости по сравнению с прототипом состоит в следующем:
снижается материалоемкость индуктивно-кондуктивного нагревателя в связи с уменьшением внешней поверхности камеры нагрева;
обеспечивается равномерное тепловыделение в стенках камеры нагрева в связи с обеспечением равной плотности тока в стенках камеры благодаря цилиндрическому исполнению каждой части камеры нагрева, приводящее к повышению теплопроизводительности устройства;
обеспечивается равномерная электрическая нагрузка фаз устройства ввиду электрической симметрии каждой из частей камеры нагрева относительно фаз питающего напряжения, что повышает энергетические показатели (КПД и cos ϕ) всего нагревателя в целом;
обеспечивается равномерное движение потока жидкости в каждой из частей камеры нагрева в связи с обеспечением одинакового гидродинамического сопротивления в различных сечениях потока жидкости, приводящего к постоянной скорости движения потока жидкости, что снижает отложения солей на стенках камеры и повышает срок службы;
расширяются функциональные возможности нагревателя за счет одновременного нагрева двух и более жидкостей.
1. Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости, 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, отличающийся тем, что 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.
2. Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости по п.1, отличающийся тем, что каждая часть камеры нагрева снабжена электропроводящими замкнутыми контурами, установленными внутри нее.
