Индукционный нагреватель текучих сред
FLUID INDUCTION HEATER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к нагревателям индукционного типа, которые предназначены для нагрева текучих сред.
Из уровня техники известно техническое решение, представляющее собой индукционный нагреватель текучих сред, 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. Заявка на патент РФ № 2006121117, МПК Н05В 6/10, опубликована 10.01.2008.
Известно также техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой индукционный нагреватель текучих сред, который включает в себя 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. Патент РФ № 2371889, МПК Н05В 6/00, опубликован 27.10.2009.
Недостатком данного устройства является относительно небольшая мощность, а также отсутствие возможности работать от однофазной сети, от высоковольтной линии тока.
Отличительными признаками заявляемого технического решения является, в частности, то, что нагреватель состоит из двух камер для нагрева текучей среды,  в нижних частях которых выполнены патрубки для подачи текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для подачи текучей среды, а в верхних частях выполнены патрубки для выхода текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для выхода текучей среды.
Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является создание высоковольтного индукционного нагревателя с большей выдаваемой мощностью, и выполненного с возможностью подключения к однофазной сети высоковольтной линии тока.
Технический результат заявленного технического решения проявляется в повышении эффективности индукционного нагревателя и обеспечении его универсальности.
Технический результат достигается тем, что в индукционном нагревателе текучих сред, включающем трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях сердечника катушками первичной обмотки, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящим из камер для нагрева текучей среды, каждая из которых выполнена из внешнего и внутреннего полых 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, при этом каждая из указанных камер охватывает стержень сердечника с катушкой первичной обмотки, и содержит патрубки для входа и выхода текучей среды, вторичная обмотка состоит из двух камер для нагрева текучей среды,  в нижних частях которых выполнены патрубки для входа текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для подачи текучей среды, а в верхних частях выполнены патрубки для выхода текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для выхода текучей среды.
За счет наличия двух камер для нагрева текучей среды, в нижних частях которых выполнены патрубки для входа текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для подачи текучей среды, а в верхних частях выполнены патрубки для выхода текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом для выхода текучей среды, индукционный нагреватель текучих сред характеризуется способностью достигать повышенной мощности, что определяет его эффективность. Кроме того, заявленная конструкция позволяет использовать нагреватель при подключении его как к однофазной, так и к трехфазной сети переменного тока.
Две пустотелые герметичные цилиндрические камеры, образующие замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, оснащенные патрубками для входа и выхода текущей среды, позволяют обеспечить равномерно естественную циркуляцию нагреваемой среды и высокий КПД индукционного нагревателя.
Воздушный зазор между внешней поверхностью стенки камер для нагрева текучей среды и наружной поверхностью первичной обмотки позволяет осуществлять обдув всех слоев, что является необходимой мерой сохранения работоспособности нагревателя, так как, катушки, в процессе работы, могут сильно нагреваться и выходить из строя.
За счет того, что патрубки для входа текучей среды установлены на нижней цилиндрической части камер, касаясь нижних торцевых заглушек камер для нагрева текучей среды, а патрубки выхода текучей среды установлены на верхней цилиндрической части камер, касаясь верхних торцевых заглушек камер для нагрева текучей среды достигается повышение эффективность нагревателя за счет действия принципа конвекции: нагревание текущей среды заставляет ее расширяться и становиться легче. Таким образом, под воздействием электромагнитной индукции, стенки камер нагреваются, они передают тепло к текущей среде, в результате в самой верхней точке камер самая высокая температура текущей среды. По тому же принципу патрубки для входа расположены внизу, так как они подают в камеру холодную среду.
Конструкция с патрубками входа и выхода текущей среды, выполненными под углом 45⁰ по отношению к оси камер, и ориентированными симметрично относительно оси камеры, способствует приданию потоку текущей среды кругового движения внутри камер.
За счет того, что камеры для нагрева текучей среды выполнены одинаковыми по своим размерам, обеспечивается равномерный съем тепла с каждой камеры, при этом, ни одна из них не подвергается перегреву из-за недостаточной циркуляции в ней текущей среды.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из возможных вариантов исполнения индукционного нагревателя текущих сред.
На фиг.1 представлена фронтальная проекция индукционного нагревателя текущих сред (первый вариант: патрубки входа и выхода ориентированы в противоположные стороны).
На фиг. 2 представлен вид сверху индукционного нагревателя текущих сред по первому варианту.
На фиг. 3 представлен боковой вид индукционного нагревателя текущих сред по первому варианту.
На фиг. 4 представлен боковой вид катушки первичной обмотки в разрезе.
На фиг. 5 представлен боковой вид камеры для нагрева текучей среды в разрезе по первому варианту.
На фиг. 6 представлена фронтальная проекция индукционного нагревателя текущих сред (второй вариант: патрубки входа и выхода ориентированы в одну сторону).
На фиг. 7 представлен боковой вид индукционного нагревателя текущих сред по второму варианту.
На фиг. 8 представлен вид сверху индукционного нагревателя текущих сред по второму варианту.
На фиг. 9. представлен вид индукционного нагревателя текущих сред по второму варианту в разрезе.
На фиг. 1-9 изображены:
- стержень (1) сердечника трансформатора;
- катушки (2) первичной обмотки;
- камеры (3), (4) для нагрева текучей среды;
- патрубки (5) для входа текучей среды в камеры (3), (4) для нагрева текучей среды;
- патрубки (6) для выхода текучей среды из камер (3), (4) для нагрева текучей среды;
- трубопровод (7) подачи текучей среды в камеры (3), (4) для нагрева текучей среды;
- трубопровод (8) для выхода текучей среды из камер (3), (4) для нагрева текучей среды;
- корпусная изоляция (9) первичной обмотки;
- внутренний цилиндр (10) камер (3), (4) для нагрева текучей среды;
- внешний цилиндр (11) камер (3), (4) для нагрева текучей среды;
- торцевые заглушки (12) камер (3), (4) для нагрева текучей среды.
Далее, со ссылками на фигуры описана конструкция индукционного нагревателя текущих сред.
Индукционный нагреватель текучих сред включает трансформатор с ферромагнитным сердечником с двумя стержнями (1). На стержнях (1) сердечника расположены катушки (2) первичной обмотки и вторичная электропроводящая обмотка. Вторичная обмотка является теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящим из камер (3), (4) для нагрева текучей среды, выполненных, предпочтительно, одинакового размера. Каждая камера (3) и (4) выполнена из внешнего (11) и внутреннего (10) полых цилиндров разного диаметра, установленных концентрично один в другом, соединенных вверху и внизу торцевыми заглушками (12) с образованием герметичной пустотелой камеры для нагрева в ней текучей среды. Каждая камера (3), (4) охватывает стержень (1) сердечника с катушкой (2) первичной обмотки, и содержит патрубки для входа и выхода текучей среды, (5) и (6), соответственно.
В нижних частях камеры (3) и (4) выполнены патрубки (5) для входа текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом (7) для подачи текучей среды. В верхних частях камеры (3) и (4) выполнены патрубки (6) для выхода текучей среды, соединяющиеся друг с другом и с трубопроводом (8) для выхода текучей среды.
Индукционный нагреватель текучих сред может включать воздушный зазор между внешней поверхностью стенки камер для нагрева текучей среды и наружной поверхностью первичной обмотки.
В предпочтительном варианте, патрубки (5) для входа текучей среды установлены на нижней цилиндрической части камер (3) и (4), касаясь нижних торцевых заглушек (12) камер (3), (4) для нагрева текучей среды, а патрубки (6) выхода текучей среды установлены на верхней цилиндрической части камер (3) и (4), касаясь верхних торцевых заглушек (12) камер (3), (4) для нагрева текучей среды.
Индукционный нагреватель текучих сред может быть выполнен так, что патрубки (5) входа текучей среды в камеру (3), (4) и патрубки (6) выхода текучей среды из камеры (3), (4) ориентированы в противоположные стороны (Фиг. 1-3, 5) или в одну сторону (Фиг. 6-9).
Заявляемый индукционный нагреватель текучих сред работает следующим образом.
После заполнения камер (3), (4) нагреваемой текучей средой с помощью патрубков (5), катушки (2) первичной обмотки подключаются к высоковольтной линии с помощью электромагнитного пускателя, после чего задается необходимая температура нагрева с помощью блока-терморегулятора.
В ферромагнитном сердечнике со стержнями (1) создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связана каждая цилиндрическая камера (3), (4), с образованием замкнутого контура вокруг соответствующего стержня (1) сердечника. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в поверхностях цилиндров (10) и (11) индуцируются токи, вызывающие их нагрев. Тепло от нагретых поверхностей цилиндров (10) и (11) передается текучей среде, поступающей в две герметичные камеры (3), (4) через патрубки (5) и вытекающей через патрубки (6).
Заявленный индукционный нагреватель способен выдавать значительно большие (до 350 кВт) показатели мощности, чем аналогичные индукционные нагреватели и способен работать как от однофазной сети в качестве одного электронагревателя, так и от трехфазной сети в качества одного из нескольких электронагревателей, соединенных в один греющий блок, схемой подключения треугольником либо звездой.
Заявленный индукционный нагреватель имеет больше КПД, чем аналогичные индукционные нагреватели (98 %)
Заявленный индукционный нагреватель текущих сред может быть использован для нужд крупных промышленных объектов, в том числе заводов, шахт, рудников, для теплоснабжения целых населённых пунктов, жилых микрорайонов, поселков, а также для технологических процессов, которые требуют большой тепловой нагрузки.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. В зависимости от назначения, индукционный нагреватель текущих сред может быть изготовлена разных размеров, цветов и конфигураций.