ИНДУКЦИОННЫЙ ТОРОИДАЛЬНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована системах отопления зданий, для горячего водоснабжения и в технологических процессах с подогревом жидкостей, где требуется обеспечить малый градиент температур между нагревателем и нагреваемой жидкостью.
Полезная модель является устройством, содержащим тороидальный ферримагнитный сердечник прямоугольного сечения с внутренней полостью по длине сердечника, разделенной на камеры перегородками с треугольными отверстиями с каждой стороны, электрическую обмотку сердечника, выполненную изолированным проводом, входной патрубок для подачи во внутреннюю полость сердечника нагреваемой жидкости и выходной патрубок для нагретой жидкости.
По уровню техники известны изобретения и полезные модели подобных устройств и назначения.
Патент на изобретение RU 2337279 С1, опубл. 27.10.2008 г. Вихревой индукционный нагреватель воды или воздуха. Предназначается для нагрева воды или воздуха в сельском хозяйстве, строительстве и других областях применения. Устройство  содержит индуктор промышленной частоты, вихревую камеру в виде пакета пластин из ферримагнитного материала, размещённого в ее рабочем объеме с зазором между пластинами для прохода воды или воздуха с периферийным завихрителем и входным и выходным патрубками. На поверхности пластин нанесены микроканалы.
Недостатком устройства является низкая эффективность нагрева воды или воздуха, обусловленная тем, что внешний индуктор промышленной частоты не может равномерно прогреть весь пакет пластин с зазорами между ними. Завихрение воды или воздуха в вихревой камере не приводит к передаче этого процесса в пространство с узкими зазорами между пластинами и, таким образом, не достигает цели - повышения эффективности теплопередачи путем завихрения нагреваемой воды или воздуха.
Патент US 3414698 от 3 декабря 1968 г. Высоковольтный трансформатор в качестве нагревателя жидкости. Устройство содержит первичную высоковольтную обмотку, размещенную на тороидальном сердечнике из пакета водопроводных труб, которые одновременно являются вторичной обмоткой трансформатора. Устройство предназначено для подогрева воды в бассейнах для плавания.
Недостатком конструкции устройства является необходимость выполнения высоких требований к обеспечению электробезопасности, большая металлоемкость и большое магнитное сопротивление сердечника, что снижает коэффициент мощности и полезного действия устройства.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является патент на изобретение RU2267869 C1, опубл. 10.01.2006 г. Проточный индукционный нагреватель жидкостей. Содержит тороидальную обмотку индуктора, наложенную на сердечник, отличающийся тем, что сердечник состоит из тонкостенного трубчатого змеевика из нержавеющей стали, служащего для увеличения поверхности теплоотдачи, на змеевик наложенаиграющая роль магнитопровода и нагревательного элемента, обмотка из стальной ленты, в результате чего в тепловыделении участвует весь объем ферримагнетика; для улучшения теплоотдачи от сердечника нагревателя используется проволочная спираль, введенная в просвет трубы змеевика, приводящая к дополнительной циркуляции жидкости. Недостатком конструкции является использование для теплообмена труб из нержавеющей стали, обладающих значительно меньшей теплопроводностью, чем стальные трубы, и изготовление магнитопровода и нагревательного элемента в виде обмотки из стальной ленты, что является достаточно сложным технологическим процессом.
Предлагаемая полезная модель по совокупности существенных признаков отличается от аналога тем, что сердечник прямоугольной формы в поперечном сечении содержит внутреннюю полость по всей длине сердечника с толщиной стенок, при которых формируемая обмоткой энергия электромагнитного поля поглощается на 99% в ферримагнитном материале сердечника и превращается в тепло. Внутренняя полость разделяется поперечными перегородками на камеры, в перегородках попеременно в верхней и нижней части по ходу движения жидкости выполнены треугольные отверстия, обеспечивающие движение жидкости по диагонали камер с турболизацией жидкости по всей внутренней полости сердечника от входного к выходному патрубку нагревателя жидкости.
Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи создания устройства, обеспечивающего получение следующего технического результата.
Создание электрического индукционного тороидального нагревателя жидкостей с меньшей стоимостью и трудозатратами с использованием при изготовлении стандартных деталей из каталога стального трубопроката и стального листа.
Получение эффективной теплопередачи между нагреваемым ферримагнитным сердечником и нагреваемой жидкостью с минимальным градиентом температур и без выпадения накипи на стенках внутренней полости сердечника, а также иметь возможность безопасного подогрева горючих жидкостей.
Указанные технические задачи и решения взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков для получения необходимого технического результата – устройства, обеспечивающего эффективное нагревание жидкостей в заявленной области применения с высоким КПД и коэффициентом мощности, малой металлоемкостью, надежностью работы и возможностью организации массового производства.
Предлагаемое техническое решение поясняется следующими чертежами.
На фигуре 1 показан индукционный тороидальный нагреватель жидкостей в сборе  с сердечником 1, индукционной катушкой 2, входным 3 и выходным 4 патрубками.
На фигуре 2 показаны сборочные детали индукционного торидального нагревателя жидкостей, включающие нижнюю часть сердечника 5, внутреннюю стенку 6 с поперечными перегородками 11, внешнюю стенку 7, верхнюю стенку 8 с входным и выходным отверстиями для жидкости 9 и входной 3 и выходной 4 патрубки для подключения к внешней сети.
На фигуре 3 показана схема, поясняющая принцип работы индукционного тороидального нагревателя жидкостей с сердечником 1 с внутренней полостью, разделенной перегородками 10 на камеры 11 с треугольными отверстиями в перегородках 12 и примерной траекторией движения жидкости 13.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Напряжение переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц, 220/380 В подаётся на обмотку из изолированных проводов 2, которая создает электромагнитное силовое поле.
Магнитная составляющая поля создает магнитный поток, который сосредотачивается в сердечнике во внешнем поверхностном слое, глубина которого меньше рассчитанной толщины стенки сердечника.
Магнитный поток замыкается по контуру тороида ортогонально к плоскости витков обмотки. Вместе с магнитным потоком 14, в этом же слое возникает электрический ток 15, который замыкается в сердечнике по контуру в плоскости витков обмотки и разогревает корпус. Толщина стенок сердечника выбирается исходя из критерия, что формируемая обмоткой энергия электромагнитного поля будет поглощаться в ферримагнитном материале сердечника на 99%. Количество  образуемого тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца будет пропорционально электрическому сопротивлению материала ферримагнитного сердечника и силе тока во второй степени.
Для отвода полученного тепла через входной патрубок 3 подается холодная жидкость, которая после прохождения через камеры внутренней полости сердечника в подогретом виде выводится через выходной патрубок 4. Степень нагрева жидкости зависит от объема, скорости движения, теплоемкости жидкости и количества камер во внутренней полости сердечника. Важным параметром при определении количества камер для заданного значения выходной температуры жидкости является также параметры вязкости жидкости и требования по допустимому парообразованию.
Попеременное направление движения жидкости в камерах и треугольная форма входных и выходных отверстий в перегородках способствуют усиленной турбулизации жидкости, что обеспечивает эффективную теплопередачу от стенок сердечника в нагреваемую жидкость.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет применить не только простые технологические схемы массового производства, но и получить при этом лучшие результаты по эффективности действия по показателям полезного действия, коэффициенту мощности, надёжности и долговечности конструкции.
Предлагаемая полезная модель была изготовлена и испытана на практике с использованием стандартного промышленного оборудования. Конструктивные элементы, необходимые при сборке предложенного индукционного тороидального нагревателя жидкостей, комплектуются в соответствии с разработанными рабочими чертежами.