Индукционный нагреватель текучих сред

Изобретение относится к области электротехники. Индукционный нагреватель текучих сред включает одно- или трехфазный трансформатор с О-образным тороидальным ферромагнитным сердечником (1), с первичной обмоткой бифилярного типа (4) с присоединенным к ней параллельно резонансным конденсатором, подключаемые к сети переменного тока, и вторичную электропроводящую обмотку (2), являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящую из одного или нескольких витков толстостенной медной трубы, предпочтительно марки M1, электрически соединенных между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности нагревателя и обеспечение возможности его использования в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих сред.

Известно трехфазное электронагревательное устройство трансформаторного типа (свидетельство на полезную модель RU №2692, МПК6 H05B 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 H05B 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 H05B 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 H05B 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. 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.

Наиболее близким техническим решением является индукционный нагреватель текучих сред (Заявка RU №2006121117, МПК H05B 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.

Общими для прототипа и заявляемого изобретения являются

- наличие трансформатора с шихтованным сердечником из ферромагнитного материала с первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока;

- вторичная электропроводящая обмотка, являющаяся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя.

Поставленная задача решается с помощью индукционного нагревателя текучих сред, содержащего одно- или трехфазный трансформатор с О-образным шихтованным тороидальным сердечником из ферромагнитного материала, состоящим из плоских замкнутых колец, с первичной обмоткой бифилярного типа с присоединенным к ней параллельно резонансным конденсатором, подключаемыми к сети переменного тока; вторичную обмотку, состоящую из одного или нескольких витков толстостенной медной трубы, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды; патрубки для входа и выхода текучей среды. При этом, если витков вторичной обмотки несколько, то они электрически соединены между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка; в качестве вторичной обмотки используют медную трубу марки M1; в качестве ферромагнитного материала используют магнито-мягкую изотропную листовую электротехническую сталь; трубопровод подачи текучей среды для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, а трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены виды нагревателя сверху и сбоку, на фиг. 2 - таблица расчетных параметров индукционного нагревателя.

Предлагаемый индукционный нагреватель содержит О-образный шихтованный тороидальный сердечник 1 из ферромагнитного материала, состоящий из плоских замкнутых колец, на который намотана катушка первичной обмотки 4 бифилярного типа. В качестве ферромагнитного материала используют магнито-мягкую изотропную листовую электротехническая сталь, например, марки 2421 по ГОСТ 21427.3-83; толщину листов и марку выбирают соответственно рабочей частоте; значения индукции в зависимости от напряженности магнитного поля режима до насыщения не менее 1.4 Тл. К катушке параллельно присоединен резонансный конденсатор (на изображениях не показан), образующий вместе с ней параллельный колебательный контур. О-образная форма сердечника предложена исходя из требований по долговечности работы нагревателя (15-20 лет) и резонансного режима работы. Иные типы сердечников (П-образный, Ш-образный и др.) не отвечают этим требованиям. Обеспечение электрически замкнутых колец в О-образном сердечнике вдоль силовых линий магнитного поля способствует увеличению КПД устройства.

Электроемкость (С) образованного колебательного контура рассчитывается из значения частоты f=50 Гц для резонансного контура по формуле:

где L - индуктивность, Гн;

С - емкость, Ф.

Колебательный контур соединен с источником переменного тока.

Применение бифилярного способа намотки первичной обмотки 4 повышает коэффициент связи между витками первичной обмотки (k=1) и тем самым увеличивает ее общую индуктивность

где ω - угловая частота, рад*Гц;

S - площадь поперечного сечения сердечника, м²;

l - длина средней линии сердечника, м;

μ - абсолютная магнитная проницаемость сердечника.

Значения магнитной проницаемости, магнитного сопротивления и других параметров на соответствующий материал выбираются из справочников или других нормативных документов, например ГОСТ 21427.2-83. Выбор определяется необходимостью получения высоких показателей индуктивности.

Магнитный поток (Ф) в сердечнике 1 определяется как отношение намагничивающей силы к магнитному сопротивлению сердечника и определяется по формуле:

Таким образом, создается требуемое количество энергии, сосредоточенной в магнитном поле, вычисляемое по формуле:

используемое для образования требуемого количества тепловой энергии во вторичной обмотке, выполняющей функцию теплообменника. Вторичная обмотка 2 представляет собой теплообменник для нагрева текучей среды, который выполнен в виде витков толстостенной медной трубы, например, с толщиной стенки 7~10 мм, предпочтительно марки M1, электрически соединенных между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка. Толщина стенки трубы определяется требованием уменьшения сопротивления вторичной обмотки за счет увеличения площади поперечного сечения проводника, поэтому 7 мм - оптимальная минимальная толщина стенки, 10 мм - оптимальная максимальная толщина, т.к. ее увеличение ограничено технологическими сложностями намотки. Так как все витки вторичной обмотки 2 соединены между собой накоротко по всей длине, то при расчетах количество витков вторичной обмотки принимается равным единице, что позволяет снизить взаимоиндукцию между вторичной обмоткой 2 и первичной обмоткой и считать ее равной нулю. Резьба 3 (фиг. 1) используется для присоединения индукционного нагревателя к системе отопления.

Пример расчета получения тепла, вырабатываемого индукционным нагревателем.

Расчет произведен из определения полезного количества теплоты, необходимого для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины без учета тепловых потерь,

где m - масса нагреваемого материала, кг;

t_к, t_н - конечная и начальная температура, С°;

с - удельная теплоемкость материала, кДж\(кг⋅С°)

Определив полезное количество теплоты, определяем общее количество теплоты, с учетом излучения теплоты в окружающую среду,

где μ - КПД индукционного нагревателя.

Мощность нагревателя определяем по формуле:

где k - коэффициент эффективности излучения,

t - время нагрева, ч.

Результаты расчетов, полученных на основе данных с экспериментального нагревателя, приведен в таблице (фиг. 2).

КПД изобретения и коэффициента мощности будут выше, чем в известных аналогах. Это стало возможно за счет использования резонанса, возникающего в параллельном колебательном контуре, образованном первичной обмоткой нагревателя и резонансным конденсатором. Изобретение обеспечивает возможности использования нагревателя в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией.

1. Индукционный нагреватель текучих сред, содержащий трансформатор с шихтованным сердечником из ферромагнитного материала с первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока; вторичную электропроводящую обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды, отличающийся тем, что используют О-образный тороидальный сердечник, состоящий из плоских замкнутых колец, с первичной обмоткой бифилярного типа с присоединенным к ней параллельно резонансным конденсатором, подключаемые к сети переменного тока; вторичную обмотку, состоящую из одного или нескольких витков толстостенной медной трубы.

2. Индукционный нагреватель текучих сред по п. 1, отличающийся тем, что витки медной трубы вторичной обмотки электрически соединены между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка.

3. Индукционный нагреватель текучих сред по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитного материала используют магнито-мягкую изотропную листовую электротехническая сталь.

4. Индукционный нагреватель текучих сред по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве вторичной обмотки используют медную трубу марки Ml.

5. Индукционный нагреватель текучих сред по п. 1, отличающийся тем, что трубопровод подачи текучей среды для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, а трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя.