ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД

Изобретение относится к нагревательным приборам и может быть использовано для нагревания различных жидкостей и газов в технологических процессах, в системах горячего водоснабжения, в том числе отопительных, бытовых и производственных помещений и др.
В основу многих проточных индукционных нагревателей текучих сред положена конструкция трансформатора, главными элементами которого являются электромагнитный сердечник - магнитопровод, первичная обмотка, выполненная в форме катушки, охватывающей названный электромагнитный сердечник, а также вторичная обмотка, выполненная в форме катушки, которая охватывает первичную обмотку снаружи. В рабочем состоянии трансформатора на первичную обмотку подается напряжение, которое индуцирует напряжение во вторичной обмотке и вызывает протекание по ней индукционного тока. В индукционных нагревателях вторичная обмотка может быть выполнена различным образом, например, в форме трубчатого элемента из электропроводящего материала, через полость которого пропускается нагреваемая текучая среда, которая получает тепло от стенок трубки, нагреваемых индукционным током.
Известен проточный водонагреватель, представляющий собой трехфазный трансформатор-нагреватель, вторичные обмотки которого замкнуты накоротко и выполнены из трех стальных труб. Торцы труб соединены между собой электропроводящими дисками, образующими совместно с внешней оболочкой трансформатора герметичную камеру, внутри которой расположен индуктор. Вода, омывая оболочку трансформатора и проходя по трубам, нагревается. [Патент РФ.№ 2101882 МПК Н05В6/10, F24H1/10].
Недостатком этого нагревателя является низкий КПД и сложное конструктивное решение.
Известен проточной нагреватель жидкости, представляющий собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора [Патент США .№ 3414698 МПК Н05В6/10]. Вода, проходящая по змеевику, нагревается. Недостатком этого устройства являются большая удельная
металлоемкость (до 10 и более кг/кВт), значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла.
Известен нагреватель, содержащий замкнутую планарную магнитную систему со стержнями, ярмами и электрической обмоткой, размещенной на стержнях [Патент РФ № 2301378 МПК Н05В6/10]. Стержни и ярма выполнены из труб и образуют систему для прохождения и нагрева текучей среды, например жидкости. Внутри труб-стержней установлены цилиндры с наружной винтовой поверхностью, организующей завихрение потока нагреваемой текучей среды. Внутри труб-ярм установлены перегородки для организации последовательного прохождения нагреваемой текучей среды по трубам нагревателя. В ярмах на входе и выходе системы имеются патрубки для подачи и вьюода текучей среды соответственно с исходной температурой и нагретого до заданного значения.
Известен индукционный нагреватель текучих сред, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из электропроводящей короткозамкнутой трубки, представляющей собой змеевик, внутри которого циркулирует нагреваемая текучая среда [Патент РФ №2031551, МПК Н05В6/10]. Этот нагреватель обладает достаточно высокими энергетическими показателями, однако недостаточное охлаждение первичной обмотки, закрытой витками вторичной обмотки, и необходимость размещения двух рядов трубок вторичной обмотки в межкатушечном пространстве при многофазном или многостержневом исполнении нагревателя приводят к повышению его материалоемкости и габаритов. Кроме того, высокое гидравлическое сопротивление вторичной обмотки, выполненной в виде змеевика, в полости которого перемещается нагреваемая текучая среда, в системах с принудительной циркуляцией приводит к необходимости повышения мощности насосов, а также затрудняет использование нагревателя в системах с естественной циркуляцией текучих сред.
Известен проточный индукционный нагреватель жидкости, имеющий тороидальную обмотку индуктора, наложенную на сердечник, который состоит из тонкостенного трубчатого змеевика из нержавеющей стали, служащего для увеличения поверхности теплоотдачи; на змеевик наложена играющая роль магнитопровода и нагревательного элемента обмотка из стальной ленты, в результате чего в тепловыделении участвует весь объем ферромагнетика, а для улучшения теплоотдачи от сердечника нагревателя протекающей по змеевику
жидкости используется проволочная спираль, введенная в просвет трубы змеевика, приводящая к дополнительной циркуляции жидкости [Патент РФ.№ 2267869 МПК H05B6/10,F24H1/10].
Известен проточный индукционный нагреватель, содержащий в каждой фазе обмотку и многослойный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб, одна из которых, наружная - немагнитная, а внутренняя - ферромагнитная с зазором между ними для прохождения и двухстороннего обогрева жидкости, причем обмотки нагревателя соединены с сетью, а внутренняя ферромагнитная труба содержит внутри себя магнитопровод из электротехнической стали [Патент РФ№ 2136123, МПК Н05В6/10].
Этот индукционный нагреватель работает следующим образом. Электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой, пронизывает магнитопровод. Немагнитная труба работает как короткозамкнутый виток, вызывая активные потери по всей длине. Ферромагнитная труба для определенной напряженности магнитного поля является полупрозрачной, т.е. электромагнитная волна может проникнуть через толщину трубы и возбудить в ней вихревые токи и соответственно потери энергии. При этом электромагнитная волна окончательно а не затухает и достигает шихтованного сердечника, в котором возникает поток магнитной индукции, наводящий вторичную ЭДС в ферромагнитной трубе, создает ярко выраженный поверхностный эффект и дополнительные потери. Таким образом, в трубах создаются активные потери, вызывающие их нагрев. Поэтому при прохождении жидкости между трубами она равномерно нагревается с двух сторон.
Этот нагреватель является ближайшим аналогом предлагаемого и принят за прототип изобретения.
Недостатками прототипа являются: низкий КПД, сложное конструктивное решение и затрудняющее проведение ремонтных и профилактических работ, небольшой срок службы вследствие образования в нем накипи и шлаков, а также ограничения по мощности.
Изобретение решает задачу создания проточного индукционного нагревателя, имеющего низкие энергозатраты при заданной производительности, высокий КПД, большой срок службы, ремонтопригодного и имеющего широкий диапазон мощности.
Поставленная задача решается тем, что предлагается индукционный нагреватель текучих сред, включающий магнитопровод, первичную обмотку в форме катушки, опоясывающей магнитопровод и выполненной с возможностью соединения с источником переменного тока, вторичную обмотку, выполненную из электропроводящего материала, которая через магнитопровод индуктивно связана с первичной обмоткой, и средство транспорта нагреваемой текучей среды через нагреватель, выполненное в форме зазора, снабженного входом и выходом, и выполненного таким образом, чтобы нагреваемая текучая среда при прохождении через него контактировала с поверхностью вторичной обмотки, причем нагреватель содержит, по меньшей мере, один нагревательный элемент, включающий вторичную обмотку в форме плоской герметичной оболочки, имеющей внутреннюю полость, в которой расположены плоский магнитопровод и первичная обмотка, и, по меньшей мере одну, наружную стенку, а зазор средства транспорта нагреваемой текучей среды через нагреватель образован наружной поверхностью названной вторичной обмотки нагревательного элемента и внутренней поверхностью названной наружной стенки.
Наиболее технологично выполнять оболочку вторичной обмотки нагревательного элемента форме параллелепипеда. Такая оболочка может быть собрана из пластин и герметизирована с помощью герметичных прокладок. Ее легко монтировать и демонтировать при проведении ремонта и профилактических работ. При этом наружные стенки устанавливаются с противоположных сторон параллелепипеда, а образованные ими зазоры соединяются между собой зазорами, образованными дополнительными наружными стенками, установленными вдоль торцов параллелепипеда.
Целесообразно, чтобы зазоры между магнитопроводом, первичной и вторичной обмотками нагревательного элемента были заполнены теплопроводящим электроизолирующим материалом, проницаемым для электромагнитного поля.
Внутренняя поверхность наружной стенки, со стороны зазора может быть выполнена гладкой, и может быть снабжена рельефом, обеспечивающим турбулентное движение текучей среды при ее прохождении через зазор средства транспорта нагреваемой текучей среды, что способствует перемешиванию текучей среды и ее равномерному нагреванию.
Нагреватель может быть выполнен с последовательно установленными нагревательные элементами, соединенными между собой в батарею таким образом, чтобы нагреваемая текучая среда поступала последовательно из выхода предыдущего нагревательного элемента во вход последующего.
Нагреватель может быть выполнен с параллельно установленными нагревательными элементами, соединенными между собой в батарею таким образом, чтобы нагреваемая текучая среда поступала одновременно во входы всех нагревательных элементов. В этом случае входы нагревательных элементов должны быть соединены коллектором.
На рис.1 приведен общий вид предлагаемого индукционного нагревателя, состоящего из нескольких плоских нагревательных элементов, собранных в батарею, где 1- наружная стенка нагревательного элемента, которая может быть гладкая, или с рельефом для получения турбулентного потока, как показано на рисунке, 4 -электрические выводы первичной обмотки, 8 - рельеф на наружной стенке, выполненной штамповкой, 9 - вход и выход для текучей среды.
На рис.2А показан общий вид нагревательного элемента, имеющего оболочку вторичной обмотки в форме параллелепипеда, без верхней пластины оболочки, где: 1 -наружная стенка нагревательного элемента (выполняющая роль вторичной обмотки), 2 - первичная обмотка, 3 - магнитопровод, 4 - электрические выводы первичной обмотки, 5 - теплопроводящий электроизолирующий наполнитель.
На рис.2Б показано продольное сечение нагревательного элемента, где: 2 -первичная обмотка, 3- магнитопровод, 5 - теплопроводящий электроизолирующий наполнитель, 1 -наружная стенка нагревательного элемента (выполняющая роль вторичной обмотки),
На рис.3 показан общий вид батареи нагревательных жлементов, где: 10 -наружная стенка, 11 - герметизирующие прокладки, 12 - нагревательные элементы.
Предлагаемый индукционный нагреватель работает следующим образом.
На первичную обмотку 2 нагревателя подается переменное напряжение от источника электрической энергии через электрические выводы 4, при этом в магнитопроводе 3 создается переменное магнитное поле, которое индуцируется во вторичной обмотке 1 - металлической оболочке. Металлическая оболочка в описываемом нагревателе работает как короткозамкнутый виток - под действием наведенной ЭДС по всей ее площади протекает ток, вызывая ее нагревание. Через
вход 9 в полость средства для транспорта нагреваемой текучей среды поступает нагреваемая текучая среда, например, вода. Текучая среда при движении в узком зазоре контактирует с внешней поверхностью нагретой протекающими в ней токами металлической оболочки 1, которая является одной из стенок полости. Таким образом текучая среда получает от металлической оболочки тепловую энергию, ее температура повышается до определенного уровня и затем нагретая текучая среда выходит через выход 9. Далее нагретая текучая среда может быть направлена в полость средства транспорта следующего по ее ходу нагревательного элемента 12, если нагревательные элементы соединены последовательно, где процесс повторяется, а нагреваемая текучая среда получает дополнительную тепловую энергию.
В том случае, если нагревательные элементы соединены параллельно, нагреваемая среда, например вода, поступает через общий коллектор одновременно в зазоры средств для транспорта текучей среды всех нагревательных элементов. Протекая внутри зазора нагреваемая текучая среда нагревается и выводится из нагревателя.
Температура нагревания текучей среды зависит от мощности нагревательного элемента, скорости прохождения текучей среды через средство для ее транспорта, размеров зазора между нагретой поверхностью оболочки вторичной обмотки и наружной стенкой и др.
Следует отметить, что низкое гидравлическое сопротивление средства транспорта текучей среды и возможность вертикальной пространственной ориентации нагревателя позволяют создавать гравитационный напор, достаточный для обеспечения естественного прохождения нагреваемой текучей среды.
Путем набора необходимого количества нагревательных элементов одного типоразмера можно получать нагреватели различной мощности.
Нагреватель имеет высокий КПД, так как нагреваемая текучая среда получает энергию непосредственно от источника тепла - вторичной обмотки, без дополнительных элементов, на которых могли бы быть потери энергии.
Каждый нагревательный элемент нагревателя легко разбирается и монтируется, а также каждый элемент может быть заменен новым, поэтому нагреватель ремонтопригоден.
Также каждый элемент может подвергаться профилактической чистке с целью удаления накипи и шлаков, что позволяет избежать потерь энергии при его работе.
Таким образом, конструкция предлагаемого индукционного нагревателя позволяет снизить энергозатраты при заданной производительности, иметь высокий КПД, большой срок службы, ремонтопригодность и широкую шкалу мощностей.