УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ЖИДКИХ СРЕД

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам индукционного нагрева жидких сред, предназначенным для нагрева жидких сред, не вступающих в активное химическое взаимодействие с элементами индукционного нагревателя, которая может быть использована в системах отопления и горячего водоснабжения в сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектах.
Известно устройство индукционного нагрева жидких сред, включающее одну или несколько индукционных обмоток, охватывающих одну или несколько труб с жидкой средой. Поток последней проходит через систему каналов в форме лабиринта из внутренних каналов с кольцами или спиралями, которые образуют короткозамкнутые электрические контуры, при подводе питания к индукционным обмоткам нагреваются и соответственно нагревают соприкасающуюся с ними жидкую среду (ЕПВ №0075811, Н05В 6/10, F24Н 1/10, 1983 г.).
Однако указанное устройство имеет недостаточно высокий КПД, обусловленный большими потерями энергии в связи с повышенным электрическим сопротивлением громоздкой конструкции лабиринтов; кольца и спирали внутри лабиринта мешают быстрому перемещению теплых потоков жидкости в верхнюю часть устройства. К тому же оно сложно в изготовлении, металлоемко, так как содержит много деталей внутри лабиринтов, а при его изготовлении используют большое количество медной проволоки в обмотках из-за применения низкочастотного тока питания (50 Гц).
Известно устройство индукционного нагрева жидких сред, включающее, по меньшей мере, один индукционный нагреватель, содержащий, по меньшей мере, одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, соединенную с трубопроводом для подачи и отвода жидкости через входной и выходной патрубки соответственно и последовательно соединенную с регулятором переменного тока. Источник питания - переменный ток с частотой 50 Гц (заявка Франции №2568083, Н05В 6/10, 1986 г.).
Однако указанное устройство имеет невысокий коэффициент мощности (0,70-0,78), поскольку при его эксплуатации происходит рассеяние тепла в пространстве от наружной индукционной обмотки, и неполное поглощение электромагнитной энергии оболочкой индукционного нагревателя. Невысокий коэффициент мощности приводит к снижению и КПД устройства (до 0,80-0,85), показатель которого также снижают и омические потери на индукционной обмотке устройства, имеющей большое количество витков медного провода, что связано с использованием тока питания частотой 50 Гц. Устройство выполнено толстостенным, что делает производство устройства неэкономичным.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принято известное устройство индукционного нагрева жидкости, например, воды, описанное в патенте SU №1019676 A1, H05B 6/10, 1983 г.
Устройство содержит цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное в нижней части корпуса над днищем, и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, массивный сердечник, установленный внутри трубы с кольцевым зазором и имеющий сквозные каналы вдоль оси для прохода нагреваемой среды при этом сквозные каналы соединены с выходным патрубком, а кольцевой зазор с одного конца соединен с входным патрубком, а с другого - со сквозными каналами сердечника и место соединения охвачено кожухом, примыкающим к трубе.
Указанное устройство имеет следующие недостатки:
- при прохождении потока воды через сквозные каналы под давлением частицы осадка (накипи) неизбежно захватываются потоком и осаждаются на внутренних стенках этих каналов. В результате осаждения накипи сечение каналов уменьшается, снижая тем самым производительность устройства и его КПД. Со временем каналы могут забиться полностью, и устройство может выйти из строя. Периодические профилактические работы, с целью прочистки каналов, проводить сложно при относительно большой длине и малом диаметре каналов, что, кроме того, ведет к увеличению эксплуатационных издержек;
- ограниченная скорость нагрева из-за теплового рассеивания с внешней поверхности трубок обмотки и сравнительно малой площади нагрева, в результате чего ограничена поверхность непосредственного соприкосновения внутренних стенок труб с нагреваемой жидкостью;
- ограничен коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую из-за теплового рассеивания с внешней поверхности обмотки устройства;
- изготовление массивного сердечника со сквозными каналами требует относительно больших затрат материала и сложно с точки зрения технологии.
Задачами прелагаемой полезной модели является создание устройства индукционного нагрева жидких сред, причем не только для воды, упрощенной конструкции, обеспечивающего максимальный теплообмен, приводящий к быстрому и стабильному нагреву.
Техническими результатами предлагаемой полезной модели являются повышение коэффициента полезного действия (КПД), снижение до минимума образования накипи и тем самым повышение долговечности работы устройства, повышение надежности и стабильности работы всех конструктивных элементов устройства.
Для достижения указанного технического результата разработано устройство индукционного нагрева жидких сред, включающее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное над днищем и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, центральный внутренний цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть внутреннего цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на ее поверхности выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть соединена с выходным патрубком для нагретой жидкой среды. Устройство также включает индуктор, выполненный в виде цилиндрической полости, смонтированной между корпусом и внутренним цилиндрическим каналом с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, при этом внутри цилиндрической полости установлена обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом; верхняя часть ее соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с внутренним кольцом.
Предлагаемое устройство индукционного нагрева жидких сред иллюстрируется следующими чертежами, где схематично представлены:
на фиг.1 - общий вид устройства, в разрезе, вид сбоку;
на фиг.2 - устройство сверху, разрез по А-А фиг.1;
на фиг.3 - устройство «в работе» (с показом движения потока нагреваемой воды в устройстве), в разрезе, вид сбоку;
на фиг.4 - устройство в изометрии;
на фиг.5 - вариант подключения устройства в систему водоснабжения при его использовании.
Предлагаемая полезная модель устройства индукционного нагрева жидких сред содержит корпус 1 (фиг.1-5), крышку 2 (фиг.1, 3, 4), днище 3 (фиг.1, 3, 4), внутреннее кольцо 4 (фиг.1, 3, 4), сквозные отверстия 5 (фиг.1, 3, 4) кольца 4, входной патрубок 6 (фиг.1-4) для нагреваемой жидкой среды, выходной патрубок 7 (фиг.1, 3, 4), центральный внутренний цилиндрический канал 8 (фиг.1-4), сквозные отверстия 9 (фиг.1, 3) внутреннего цилиндрического канала 8 для прохода нагреваемой жидкой среды, цилиндрическая полость 10 (фиг.1-4) индуктора, кольцевые каналы 11 (фиг.1-4), обмотка 12 (фиг.1-4), связующий диэлектрический материал 13 (фиг.1-4).
При варианте подключения устройства индукционного нагрева жидких сред в систему водоснабжения (фиг.5) необходимо наличие самого устройства 1, магистрального трубопровода 14, блока 15 автоматики, циркуляционного насоса 16, накопительной емкости 17, трубопровода 18 для отвода воды к потребителю, цепи 19 электропитания устройства 1, цепи 20 датчика горячей воды, цепи 21 электропитания циркуляционного насоса.
Устройство индукционного нагрева жидких сред работает следующим образом.
Принцип действия устройства основан на нагревательном свойстве индукции электромагнитного поля, создаваемого обмоткой 12, герметично изолированной диэлектрическим материалом 13 и расположенной внутри устройства 1 в цилиндрической полости 10. Внутренние конструктивные элементы, смонтированные в устройстве 1, имеющем крышку 2 и днище 3, скомпонованы таким образом, что образуют три рабочих канала для прохода потока нагреваемой жидкой среды, что иллюстрируется на фиг.3
Поток нагреваемой воды через входной патрубок 6, поступает в первый кольцевой канал 11, образованный внутренней поверхностью устройства 1 и наружной поверхностью цилиндрической полости 10 индуктора. Непрерывно пересекая силовые линии магнитного поля, создаваемые в цилиндрической полости 10, обмоткой 12, поток жидкой среды подвергается нагреву. Далее поток нагреваемой среды через отверстия 5 внутреннего кольца 4, направляется во второй кольцевой канал 11, образованный внутренней поверхностью цилиндрической полости 10 индуктора и наружной поверхностью центрального внутреннего цилиндрического канала 8. Третий нагрев жидких сред под действием индукционного поля осуществляется в полости нагретого центрального внутреннего цилиндрического канала 8, куда поток воды попадает через его сквозные отверстия 9. Нагретый поток жидкой среды из центрального внутреннего цилиндрического канала 8 через патрубок 7 отводится потребителю.
Система водоснабжения, в которой используется предлагаемое устройство (фиг.5) работает следующим образом.
Входной патрубок 6 устройства 1 подключают к магистральному трубопроводу 14. Работа системы контролируется блоком автоматики 15. Электропитание устройства 1 (питание цепи обмотки 12, создающей электромагнитное поле) осуществляют через электрическую цепь 19. Циркуляционный насос 16, на выходе устройства 1, обеспечивает давление воды в системе. Циркуляционный насос 16 подключают к блоку 15 автоматики посредством электрической цепи 21. Насос 16 обеспечивает подачу воды в накопительную емкость 17, в которой смонтирован датчик уровня горячей воды, соединенный с блоком 15 автоматики цепью 20. Электропитание циркуляционного насоса 16 и одновременно устройства 1 осуществляет автоматика. Вода, проходя через устройство 1, нагревается до определенной температуры и попадает в накопительную емкость 17. По мере набора воды в емкость 17, датчик уровня воды по цепи 20 передает данные в блок 15 автоматики. При достижении заданного показателя уровня воды в емкости 17, блок 15 автоматики отключает цепи 19 электропитания устройства 1 и цепи 21 электропитания циркуляционного насоса 16. Циркуляционный насос 16 имеет систему обратного клапана, предотвращающего возврат горячей воды в устройство 1. По мере использования воды потребителем, ее уровень в емкости 17 снижается, что контролируется датчиком по цепи 20, и при уменьшении уровня до определенного показателя блок 15 автоматики снова включает цепи 19 и 21.
Как показали испытания предлагаемого устройства в производственных условиях, технический результат (при сохранении достаточно высокого уровня пожаробезопасности) состоит в следующем:
- повышается коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую и повышения коэффициента полезного действия (КПД) до показателя равного 0,99, за счет устранения электрических потерь;
- увеличивается показатель скорости нагрева жидких сред за счет расширения поверхности контактного электронагрева сред, соприкасающихся с треканальным теплосъемом;
- в заявленном устройстве тепло нагреваемой жидкой среды передается по пути, обеспечивающему максимальный и быстрый теплообмен. Быстрому и стабильному нагреву способствует и материал, используемый для металлических деталей устройства; тонколистовая ферромагнитная сталь (с высоким содержанием железа), которая быстро нагревается и быстро передает тепло нагреваемой среде;
- при непрерывном и многоразовом пересечении потоком жидкой среды магнитного поля индуктора (при соответствующем выборе ее напряженности) максимально снижается накипеобразование на наружных и внутренних поверхностях конструктивных элементов устройства и, следовательно, повышается долговечность предлагаемого устройства;
Предлагаемое устройство индукционного нагрева жидких сред имеет широкий диапазон использования в системах тепло обеспечения, в частности, в теплицах, в помещениях и в зданиях производственно-бытового назначения.