СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ЖИДКОСТЕЙ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR INDUCTION HEATING OF LIQUIDS (VERSIONS)

Изобретение относится к способам и устройствам индукционного нагрева текучих сред и может быть использовано для нагрева жидкостей, в том числе воды, в стальных изделиях типа резервуаров, емкостей, трубопроводов, радиаторов, посуды через металлические стенки.
Известен способ и устройство для индукционного нагрева жидкостей в резервуарах путем создания переменного электромагнитного поля на промышленной частоте 50 Гц внутри стального герметичного корпуса, погружаемого в емкость с жидкостью. При этом указанный герметичный корпус нагревается и передает тепло жидкости. В таком индукционном нагревателе первичным контуром своего рода трансформатора является катушка, а вторичным контуром (теплообменником) является материал стенок нагреваемого электромагнитным полем корпуса (см., например, патент РФ 2002383 и патент РФ 2002384. Индукционный нагреватель жидкости. БИ 39-40, 1993).
Недостатками этого способа и устройства индукционного нагрева жидкостей являются ограниченные условия эксплуатации, связанные с необходимостью встраивать или погружать нагреватель в емкость с жидкостью, что не всегда приемлемо, при этом встраиваемый или погружаемый нагреватель занимает значительный полезный объем емкости с нагреваемой жидкостью. Недостатком является также сложность теплопередачи от первичной обмотки, особенно по мере накопления накипи и осаждения солей на стенках корпуса нагревателя, и возможность появления опасного электрического потенциала в нагреваемой жидкости при пробое изоляции. Другим недостатком данного способа и устройства являются также повышенные потери энергии в проводах подводящего двухжильного кабеля, увеличивающие металлоемкость и снижающие надежность работы водонагревательной электротехнологической установки, а также возможность короткого замыкания в подводящих соединительных проводах.
В качестве прототипа способа и устройства индукционного нагрева жидкостей использован известный индукционный нагреватель жидкостей в емкостях, в которых катушки индуктора (первичного контура) выполнены различной формы в соответствии с формой поверхности стенки нагреваемой емкости, что обеспечивает лучшую равномерность нагрева по ее поверхности, и имеется возможность близкого расположения катушек к поверхности емкости с жидкостью, что снижает поля рассеяния электромагнитного поля и повышает эффективность нагрева (см., например, пат. РФ 2098928. Низкочастотный индукционный нагреватель. 1997).
В таких индукционных нагревателях между индуктором и нагреваемой стенкой или дном емкости с жидкостью нет дополнительных металлических корпусов, поэтому индукционное электромагнитное поле беспрепятственно проходит через немагнитную стеклокерамическую защитную панель (крышку) на нагреваемую емкость. Тем самым тепло передается от источника сразу к емкости, не нагревая по пути рабочую поверхность защитного корпуса (панели), в результате чего снижаются потери тепловой энергии и расход затрачиваемой электроэнергии.
Недостатками известного индукционного нагревателя является низкий КПД из-за того, что частота электромагнитного поля не находится в области частот максимальных электромагнитных потерь на вихревые токи в материале емкости с жидкостью (вторичной обмотки), а также значительные непроизводительные затраты электроэнергии на нагрев из-за потерь в первичном контуре, повышенные потери энергии в проводах подводящего двухжильного кабеля, увеличивающие металлоемкость и снижающие надежность работы водонагревателей, а также возможность короткого замыкания в подводящих соединительных проводах.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа и устройства индукционного нагрева жидкостей, обеспечивающего снижение потерь энергии при нагреве жидкостей, снижение потерь в подводящих проводах, исключение короткого замыкания в линии электропитания, снижение металлоемкости и повышение производительности индукционного нагревателя, повышение КПД и эффективности нагрева жидкостей путем снижения энергозатрат, повышение надежности и эффективности работы установки.
В результате использования предлагаемого изобретения снижаются потери энергии, металлоемкость устройства, повышается эффективность и надежность работы установки.
0
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе индукционного нагрева жидкостей путем создания переменного магнитного поля и воздействия созданным полем на материал нагреваемой емкости с жидкостью, для нагрева емкости с жидкостью создают резонансный автоколебательный режим электромагнитного поля повышенной частоты f=1-100 кГц в индукторной обмотке нагревателя и воздействуют полученным электромагнитным полем на материал нагреваемой емкости и жидкости в области частот максимальных потерь в материале емкости, при этом измеряют температуру нагреваемой жидкости на выходе из емкости, сравнивают с заданной величиной и в соответствии с этим поддерживают температуру нагреваемой жидкости в заданных параметрах изменением скорости подачи потока через емкость индукционного нагревателя и временем нагрева жидкости индукционным нагревателем.
0
В другом варианте способа индукционного нагрева жидкостей путем создания переменного магнитного поля и воздействия созданным полем на материал нагреваемой емкости с жидкостью для нагрева емкости с жидкостью создают резонансный автоколебательный режим электромагнитного поля повышенной частоты f=1-100 кГц в индукторной обмотке и воздействуют полученным электромагнитным полем на материал нагреваемой емкости и жидкости в области частот максимальных потерь в материале емкости, а передачу электромагнитной энергии от преобразователя к индукторной обмотке осуществляют при помощи высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной волноводной линии, при этом измеряют температуру нагреваемой жидкости на выходе из емкости, сравнивают с заданной величиной и в соответствии с этим поддерживают температуру нагреваемой жидкости в заданных параметрах изменением напряжения питания индукторной обмотки индукционного нагревателя.
Технический результат достигается также тем, что в предлагаемом устройстве для индукционного нагрева жидкостей, содержащем первичную обмотку и нагреваемую емкость с жидкостью, индукторная обмотка нагревателя включена в резонансный автоколебательный контур с преобразователем частоты и резонансной емкостью, частота которого находится в области частот максимальных электромагнитных потерь в нагреваемом материале емкости с жидкостью, причем нагреваемая емкость снабжена изолирующими вставками, покрыта слоем электрической изоляции, снабжена датчиком температуры нагреваемой жидкости, установленном на выходе из емкости, а датчик температуры связан через задатчик с блоком управления электронасосом, регулирующим скорость подачи потока жидкости через емкость и время нагрева жидкости, для поддержания температуры нагреваемой жидкости в заданных параметрах.
В другом варианте в устройстве для индукционного нагрева жидкостей, содержащем первичную обмотку, нагреваемую емкость с жидкостью, индукторная обмотка нагревателя включена по однопроводной волноводной линии, при помощи высокочастотного резонансного трансформатора через один высоковольтный вывод высоковольтной обмотки в резонансный автоколебательный контур, содержащий низковольтную обмотку высокочастотного резонансного трансформатора, две резонансные емкости и преобразователь частоты, при этом частота резонансного контура, находится в области частот максимальных электромагнитных потерь в нагреваемом материале емкости с жидкостью, причем нагреваемая емкость снабжена изолирующими вставками, покрыта слоем электрической изоляции, снабжена датчиком температуры нагреваемой жидкости, установленном на выходе из емкости, а датчик температуры связан через задатчик с преобразователем напряжения и частоты, изменяющим величину напряжения питания индукторной обмотки индукционного нагревателя.
В устройстве для индукционного нагрева жидкостей к однопроводной волноводной линии одного вывода высокочастотного резонансного трансформатора подключены индукторные обмотки нескольких электроводонагревателей, соизмеримых по мощности с мощностью источника энергии, а в качестве естественной электрической емкости использована общая емкость индукторной обмотки с металлической емкостью и жидкостью или емкость заземляющего контура.
На фиг.1 и 2 представлены схемы реализации предлагаемого способа индукционного нагрева жидкостей и устройства для его осуществления.
На фиг.1 представлен способ индукционного нагрева жидкостей и устройство с питанием по двухпроводной схеме.
На фиг.2 представлен способ индукционного нагрева жидкостей и устройство с питанием по однопроводной схеме с использованием высокочастотного резонансного трансформатора.
Согласно фиг.1, устройство содержит источник питания 1, соединенный с преобразователем частоты и напряжения 2, который через резонансный конденсатор 3 и провода 4 соединен с индукторной обмоткой 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6, имеющего металлическую ферромагнитную емкость 7, покрытую термостойкой защитной изоляцией 8, и электроизолирующие вставки 9, установленные на патрубках 10, с нагреваемой жидкостью 11. Снаружи индукторная обмотка 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 также покрыта слоем термостойкой защитной изоляции 12. Подача жидкости 11 осуществляется электронасосом 13, электродвигатель которого получает питание от блока управления 14, имеющего задатчик 15 и связанного с источником питания 1, а температура нагреваемой жидкости 11 контролируется датчиком температуры 16, установленном на выходном патрубке 10.
Согласно фиг.2, устройство содержит источник питания 1, соединенный с регулируемым преобразователем частоты и напряжения 2, который через резонансные конденсаторы 3 и провода 4 соединен с первичной низковольтной обмоткой 17 резонансного высокочастотного трансформатора 18, вторичная обмотка 19 которого, своим высоковольтным выводом 20, соединена одним проводом 21 с первым выводом 22 индукторной обмотки 5, расположенной на термостойкой изоляции 8, нагреваемой металлической емкости 7, в которой находится подаваемая для нагрева жидкость 11, а второй вывод 23 индукторной обмотки 5 соединен с естественной емкостью 24.
Второй низкопотенциальный вывод 25 вторичной обмотки 19 резонансного высокочастотного трансформатора 18 соединен через разделительный конденсатор 26 с землей 27. Металлическая ферромагнитная емкость 7 покрыта термостойкой защитной изоляцией 8 и снабжена электроизолирующими вставками 9, установленными на патрубках 10 с жидкостью 11. Снаружи индукторная обмотка 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 также покрыта слоем термостойкой защитной изоляции 12.
На выходном патрубке 10 установлен датчик 16 температуры нагреваемой жидкости 11, связанный через задатчик 15 с регулируемым преобразователем частоты и напряжения 2.
Способ индукционного нагрева жидкостей, согласно схеме фиг.1, осуществляется следующим образом.
0
Электрическую энергию от источника энергии 1, например электроэнергию напряжения сети, преобразуют преобразователем частоты 2 в электроэнергию повышенной частоты f=1-100 кГц, при помощи соответствующей емкости С резонансного конденсатора 3 и индуктивности L индукторной обмотки 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 создают резонансные колебания тока и напряжения в индукторной обмотке 5, соответствующие ее собственной частоте, и получают максимально возможное выделение электромагнитной энергии и мощности в индукторной обмотке 5 и минимальные потери в подводящих проводах 4, контролируют датчиком 16 температуру нагретой жидкости 11, сравнивают с заданным задатчиком 15 значением и изменяют скорость подачи жидкости через нагреваемую емкость 7, при этом обеспечивают защиту резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 и его обмотку 5 от перегрева, перенапряжения, выноса потенциала, повреждения и пробоя электрической изоляции.
Способ индукционного нагрева жидкостей, согласно схеме фиг.2, осуществляется следующим образом.
0
Электрическую энергию от источника энергии 1, например электроэнергию напряжения сети, преобразуют регулируемым преобразователем частоты и напряжения 2 в электроэнергию повышенной частоты f=1-100 кГц при помощи соответствующей емкости С резонансных конденсаторов 3 и индуктивности L первичной обмотки 17 высокочастотного резонансного трансформатора 18, создавая резонансные колебания тока и напряжения, повышают по напряжению с помощью вторичной обмотки 19 высокочастотного резонансного трансформатора 18 и подают электрическую энергию с высоковольтного вывода 20 по однопроводной волноводной линии 21 на первый вывод 22 индукторной обмотки 5, резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 и создают резонансные колебания тока и напряжения в индукторной обмотке 5, соответствующие ее собственной частоте, и получают максимально возможное выделение электромагнитной энергии и мощности в индукторной обмотке 5 и минимальные потери в подводящих проводах 4.
Датчиком 16 контролируют температуру нагретой жидкости 11, сравнивают ее с заданным задатчиком 15 значением и изменяют величину питающего напряжения резонансного трансформатора 18 и, соответственно, напряжение питания и мощность, выделяемую в индукторной обмотке 5 индукционного водонагревателя 6 для нагрева жидкости 11, проходящей через нагреваемую емкость 7, при этом обеспечивают защиту резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 и его обмотку 5 от выноса потенциала в систему трубопровода, используя электроизолирующие вставки 9 на патрубках 10, предотвращают возможность перегрева, перенапряжения, повреждения и пробоя электрической изоляции.
Устройство согласно схеме фиг.1 работает следующим образом.
0
Электрическая энергия от источника питания 1 поступает на преобразователь частоты 2, преобразующий электрическую энергию напряжения сети источника питания 1 в электроэнергию повышенной частоты f=1-100 кГц, которую через резонансный конденсатор 3 и провода 4 подают на вход индукторной обмотки 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6. При этом частота напряжения питания индукторной обмотки 5, генерируемая преобразователем частоты 2, соответствует ее собственной частоте. Питание осуществляется в резонансном режиме работы контура LC с обмоткой 5 и резонансным конденсатором 3, при котором происходит максимально возможное выделение электромагнитной энергии в индукторной обмотке 5 (в области частот максимальных потерь в материале емкости) и минимальные потери в подводящих проводах 4.
Подача жидкости 11 осуществляется электронасосом 13, электродвигатель которого получает питание от блока управления 14, имеющего задатчик 15 и связанного с источником питания 1, а температура нагреваемой жидкости 11 контролируется датчиком температуры 16, установленном на выходном патрубке 10. Сигнал датчика 16 контроля температуры нагретой жидкости 11, сравнивают с заданным задатчиком 15 значением и через блок управления 14 изменяют скорость подачи жидкости 11 электронасосом 13, через нагреваемую емкость 7.
Термостойкая изоляция 8 защищает обмотку от нагреваемой металлической емкости 7, слой термостойкой защитной изоляции 12 служит для обеспечения надежной электроизоляции, а электроизолирующие вставки 9 на патрубках 10 предотвращают возможность выноса опасного электрического потенциала в систему трубопровода, в которой работает резонансный индукционный водонагреватель 6 жидкости 11.
Преобразователь частоты 2 может получать питание от однофазной, трехфазной электрической сети или любого другого источника электрической энергии 1.
Устройство согласно схеме фиг.2 работает следующим образом.
0
Электрическая энергия от источника питания 1 поступает на регулируемый преобразователь частоты и напряжения 2, преобразующего электрическую энергию напряжения сети источника питания 1 в электроэнергию повышенной частоты f=1-100 кГц, которую через резонансные конденсаторы 3 и провода 4 подают на низковольтную обмотку 17 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 18 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 17.
При этом с помощью вторичной обмотки 19 повышают напряжение и подают электрическую энергию с высоковольтного вывода 20 по однопроводной волноводной лини 21 на первый вывод 22 индукторной обмотки 5, расположенной на термостойкой изоляции 8, нагреваемой металлической емкости 7, резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6, в которой находится подаваемая для нагрева жидкость 11. Второй вывод 23 индукторной обмотки 5 соединен с естественной емкостью 24. Второй низкопотенциальный вывод 25 обмотки резонансного высокочастотного трансформатора 18 соединен через разделительный конденсатор 26 с землей 27.
0
Таким образом, электрическую энергию от источника энергии 1 преобразуют по частоте в преобразователе частоты 2, повышают по напряжению с помощью повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 18 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 17, вторичной обмотке 19, в однопроводной волноводной линии 21 и индукторной обмотке 5 с частотой f=1-100 кГц, равной частоте преобразователя частоты 2.
Сигнал датчика 16 температуры нагреваемой жидкости 11, установленный на выходном патрубке 10, поступает на задатчик 15, который через регулируемый преобразователь частоты и напряжения 2 изменяет величину напряжения, подаваемого на обмотку 17 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 18, который изменяет величину напряжения на вторичной обмотке 19, а также через высоковольтный вывод 20 с однопроводной волноводной линией 21, на индукторной обмотке 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 до установленного значения величины сигнала задатчика 15.
Частота напряжения питания резонансного трансформатора 18 и индукторной обмотки 5, генерируемая преобразователем частоты 2, соответствует их собственной резонансной частоте. Питание резонансного трансформатора 18 осуществляется в резонансном режиме работы контура LC с обмоткой 17 и резонансными конденсаторами 3, при котором происходит передача электрической энергии по однопроводной линии 21 к индукторной обмотке 5 с минимальными потерями в подводящей однопроводной волноводной линии 21 и максимально возможным выделением электромагнитной энергии в индукторной обмотке 5.
Термостойкая изоляция 8 защищает обмотку от нагреваемой металлической емкости 7, слой термостойкой защитной изоляции 12 служит для обеспечения надежной электроизоляции, а электроизолирующие вставки 9 на патрубках 10 предотвращают возможность выноса опасного электрического потенциала в систему трубопровода, в которой работает резонансный индукционный водонагреватель 6 жидкости 11. Преобразователь частоты 2 может получать питание от однофазной, трехфазной электрической сети или любого другого источника электрической энергии 1.
Так как однопроводная волноводная линия 21 относительно обмотки 19 разомкнута, между током и напряжением существует фазовый сдвиг 90 градусов. Ток опережает напряжение на 90 градусов и перезаряжает емкость индукторной обмотки 5 резонансного высокочастотного индукционного водонагревателя 6 и естественную емкость 24.
Электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 20 с высоким потенциалом через индукторную обмотку 5 к естественной емкости 24 с более низким потенциалом вдоль эквипотенциальных линий кулонова электрического поля, поэтому джоулевы потери энергии в незамкнутой однопроводной волноводной линии 21 малы.
К однопроводной волноводной линии одного вывода высокочастотного резонансного трансформатора могут быть подключены индукторные обмотки нескольких электроводонагревателей, соизмеримых по мощности с мощностью источника энергии, а в качестве естественной электрической емкости может быть использована общая емкость индукторной обмотки с металлической емкостью и жидкостью или емкость заземляющего контура.
Воздействие на стенку нагреваемой емкости с жидкостью переменным магнитным полем с частотой в области частоты максимальных потерь в материале металлической емкости 7 повышает КПД нагревателя. Так, например, для материала емкости из нержавеющей стали частота максимальных электромагнитных потерь находится в области 30 кГц, при этом КПД нагревателя составляет не менее 80%. Если частота электромагнитного поля будет 50 Гц, то для емкости из нержавеющей стали КПД нагревателя не превысит 10-20%.
Создание электромагнитного поля на резонансной частоте в автоколебательном режиме первичного резонансного контура водонагревателя позволяет снизить расход электроэнергии на нагрев за счет использования резонансных свойств электроводонагревателя.