Одноёмкостный индукционный нагреватель жидкостей

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно, к индукционным нагревателям и может быть использовано в различных сферах: технологического, прямого и косвенного нагрева различных жидкостей, в системах горячего водоснабжения и отопления жилых, бытовых и производственных зданий.
Известен индукционный нагреватель жидких сред [1], состоящий из трехфазного трансформатора с сердечником, выполненным из листовой электротехнической стали. На стержнях сердечника расположены первичные обмотки, подключаемые к трехфазной электрической сети переменного тока. На первичные обмотки установлены три вторичные обмотки, выполненные из металлических труб, навитых вокруг каждой из первичных обмоток трансформатора в один слой. Входы и выходы труб гидравлически соединены параллельно, а электрически замкнуты внешним проводником. Диаметр витка вторичной обмотки, количество витков каждой из вторичных обмоток, а также высота намотки каждой вторичной обмотки определяются из условий обеспечения оптимальных соотношений геометрических и электрических параметров вторичной обмотки трансформатора, являющейся теплообменным элементом индукционного нагревателя.
Недостатком нагревателя является высокое гидравлическое сопротивление многовитковой конструкции, технологическая сложность изготовления многовитковой конструкции вторичной обмотки, обусловлена высокой трудоёмкостью изготовления нагревателя и требует наличия специальной оснастки.
Известен индукционный нагреватель текучих сред [2], представляющий собой 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.
Недостатком вышеназванного индукционного нагревателя является высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное тремя отдельными камерами нагрева теплоносителя с трубопроводами подвода и отвода, расположение в верхней точке ёмкости нагревателя плоской части трёх водогрейных камер, приводит к задержке воздуха внутри нагревателя и возникновению мест локального перегрева как самой обмотки, так и протекающей жидкости. Также недостатком данного нагревателя является высокая трудоёмкость изготовления в виду необходимости обеспечения трёх отдельных трубных участков подвода теплоносителя к каждой нагревательной камере, трёх отдельных трубных участков отвода теплоносителя из каждой нагревательной камеры и обеспечения объединяющих трубопроводов на подводе и отводе соединенных с тремя соответствующими патрубками.
Известен индукционный нагреватель текучих сред [3-прототип], содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана катушка первичной обмотки, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с катушкой первичной обмотки через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды и выполненным из расположенных в плоскости витков катушки первичной обмотки трубчатых элементов, при этом стержни сердечника установлены так, что витки катушки первичной обмотки располагаются в вертикальной плоскости, каждый трубчатый элемент выполнен в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнены усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной вертикальной плоскости, соединены между собой неразъемно.
Недостатком указанного выше индукционного нагревателя является наличие в конструкции большого количества усеченных трубчатых элементов со сложным объединяющим профилем с разнонаправленным движением потоков жидкости сталкивающихся в объединяющих участках замыкания контура вокруг каждой из катушек, что обуславливает как технологическую сложность и трудоёмкость изготовления данных элементов так и повышает гидравлическое сопротивление теплообменника. Также в данной конструкции присутствует большое число сварных швов, находящихся в зоне воздействия магнитного потока, что предъявляет высокие требования к качеству сварки, увеличивая тем самым трудоёмкость изготовления и в совокупности со снижением скорости движения теплоносителя при объединении разнонаправленных потоков, увеличивает склонность нагревателя к возникновению зон локального перегрева.
Предлагаемое техническое решение – одноёмкостный индукционный нагреватель жидкостей – направлено на устранение выявленных недостатков прототипа и аналогов, а именно, уменьшение трудоёмкости изготовления, снижение склонности к задержке воздуха внутри вторичной обмотки нагревателя, снижение гидравлического сопротивления нагревателя и исключение возникновения зон локального перегрева.
Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7.
Индукционный нагреватель жидкостей представляет собой сборную установку. На фигуре 1 цифрой 1 обозначена вторичная обмотка (одноёмкостная теплообменная часть), цифрой 2 – катушка первичной обмотки, цифрой 3 – трехфазный трансформатор с сердечником из листовой электротехнической стали, цифрой 4 – трубопровод ввода теплоносителя, цифрой, цифрой 5 – трубопровод отвода теплоносителя,  цифрой 6 – пространственная рама.
Индукционный нагреватель жидкостей работает следующим образом: имеется пространственная рама 6 (см. фиг.1) на которой смонтированы трехфазный трансформатор с сердечником, выполненным из листовой электротехнической стали 3, на стержнях сердечника расположены три первичные обмотки 2, подключаемые к трёхфазной электрической сети, при подаче переменного электрического тока в первичной обмотке возникает магнитное поле, за счет действия вихревых токов разогревается вторичная обмотка 1, поступившая из системы в трубопровод ввода 4 теплоноситель, протекает через вторичную обмотку 1, направление движения теплоносителя отражено на фиг.5, нагревается за счет теплообмена со стенками вторичной обмотки 1 и после поступает в трубопровод отвода 5 (см. фиг.1) для подачи нагретым в систему. Вторичная обмотка 1 конструктивно представляет собой три взаимно пересеченных цилиндра, образованных меньшими внутренними диаметрами 1 (см. фиг.4) и большими пересекающимся между собой внешними диаметрами 2, что образует единый внутренний объём нагревателя. Конструкция формы теплообменной части представлена на фиг.2. Сведения о положении сечений представленных на фиг. 4 и фиг. 5 указаны на фиг.3. Аксонометрия нагревателя с двух сторон представлен на фиг. 6 и фиг.7. Данная конструкция теплообменной части обеспечивает однонаправленное движения теплоносителя вверх по нагревателю от трубопровода ввода до трубопровода вывода.
Предлагаемая полезная модель – одноёмкостный индукционный нагреватель жидкостей – обеспечивает снижение гидравлического сопротивления нагревателя, снижает вероятность задержки воздуха внутри нагревателя тем самым, исключая возникновения мест локального перегрева, и в тоже время при указанных конструктивных особенностях снижается трудоёмкость изготовления изделия.
С учетом факторов изложенных выше и устранения недостатков прототипа, достигается необходимый результат, что обуславливает промышленную применимость технического решения.
Данное техническое решение апробировано при экспериментальном изготовлении индукционных нагревателей жидкости, получено подтверждение промышленной применимости и возможности внедрения в производство. Планируется осуществление серийного выпуска оборудования, на основании данного технического решения, с единичной мощностью в диапазоне 25 -2500 кВт с различным напряжением питающей сети.
Источники информации:
1. Патент РФ №138284, 2014.
2. Патент РФ № 2371889, 2009.
3. Патент РФ № 2263418, 2005.