СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В ТЕПЛОВУЮ ЭНЕРГИЮ И УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВАТЕЛЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПОСОБА
METHOD OF CONVERTING ELECTRICAL ENERGY INTO HEAT ENERGY AND AN ELECTRIC HEATER DEVICE USING METHOD

Изобретение относится к электрическим нагревательным устройствам и может быть использовано для нагрева преимущественно жидких и газообразных веществ. Изобретение может применяться, в том числе, для создания устройств и систем отопления жилых и производственных помещений.
Известно устройство для нагрева жидкости, содержащее трубу из диамагнитного материала, охватывающий ее индуктор, сердечник, установленный внутри трубы так, что между поверхностью сердечника и внутренней поверхностью трубы имеется кольцевой зазор, патрубок для подвода жидкости и патрубок для отбора жидкости, отличающееся тем, что сердечник выполнен в виде трубы, торцевые отверстия которой закрыты крышками, а толщина стенок составляет 3-5 мм, и установлен так, что величина кольцевого зазора между внутренней поверхностью диамагнитной трубы и наружной поверхностью сердечника составляет 1,5-5 мм, патрубки для подвода и отбора жидкости сообщаются с внутренним пространством сердечника и установлены так, что выходное отверстие патрубка для подвода жидкости расположено вблизи нижней крышки, а входное отверстие патрубка для отбора жидкости расположено вблизи верхней крышки (RU 2075838).
Недостатком известного устройства является односторонний отвод тепла от обмотки к жидкости, удаленность обмотки от ферромагнитного сердечника и его экранирование диамагнитной трубой.
Несколько улучшен индукционный проточный 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, отличающийся тем, что дополнительно содержит симисторный регулятор напряжения, блок фазоимпульсного управления, нуль-орган и датчик температуры, причем обмотки нагревателя соединены с сетью посредством симисторного регулятора напряжения, а последний с блоком фазоимпульсного управления и через нуль-орган с датчиком температуры, имеющим тепловой контакт с внутренней ферромагнитной трубкой, содержащей внутри себя магнитопровод из электротехнической стали (RU 2136123).
Недостатком этого изобретения является то, что плохо используется нагрев от активных потерь в обмотке. Также неэффективно отводится тепло от магнитопровода.
Эффективность теплообмена между индукционным нагревателем и теплоносителем улучшена за счет удлинения пути контакта теплоносителя с поверхностью нагрева в известном вихревом индукционном нагревателе, содержащем магнитопроводную цилиндрической формы емкость с входным патрубком подвода жидкостного или газового теплоносителя и выходным патрубком для отвода этого теплоносителя и индукционную обмотку из медного провода, заключенную в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного материала, отличающийся тем, что внутри указанной емкости к торцевым стенкам прикреплены концентрично расположенные относительно друг друга с одинаковым зазором между собой металлические трубы с образованием лабиринтообразного прохода для указанного теплоносителя в направлении от входного патрубка к выходному патрубку, а индукционная обмотка размещена внутри указанных труб.
Известно устройство обогрева для помещения, содержащее вихревой индукционный нагреватель, выполненный из магнитопроводной цилиндрической формы емкости с входным патрубком подвода жидкостного или газового теплоносителя и выходным патрубком для отвода этого теплоносителя и индукционной обмотки из медного провода, заключенной в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного материала, отличающееся тем, что внутри указанной емкости к торцевым стенкам прикреплены концентрично расположенные относительно друг друга с одинаковым зазором между собой металлические трубы с образованием лабиринтообразного прохода для указанного теплоносителя в направлении от входного патрубка к выходному патрубку, а индукционная обмотка размещена внутри указанных труб, при этом емкость закреплена на раме, к которой прикреплена по типу змеевика оребренная пластинами труба, одним концом присоединенная к входному патрубку емкости, а другим концом - к выходному патрубку этой емкости, или оребренные пластинами трубы, подсоединенные параллельно друг другу и к входному и к входному и выходному патрубкам (RU 2400944).
В этом изобретении, также как и в показанных выше, эффективность преобразования электрической энергии в тепловую увеличивается при увеличении частоты источника переменного тока и достигает максимума при работе индукционного нагревателя в режиме электрического резонанса. Однако электрический резонанс обладает известным недостатком. Он быстро расстраивается при изменении частоты, емкости, индуктивности и активного сопротивления. Все указанные параметры существенно зависят от температуры, поэтому для эффективной работы устройств в режиме электрического резонанса требуется сложная система для его контроля и компенсации дестабилизирующих факторов.
Настоящее изобретение решает техническую задачу по увеличению эффективности преобразования электроэнергии в тепловую энергию для ее использования в различных технологических процессах.
Достигаемый при этом технический результат устраняет недостатки, присущие известным индукционным нагревателям, позволяет упростить и удешевить производство нагревательных устройств.
Указанный технический результат достигается в способе преобразования электрической энергии в тепловую энергию с применением катушки с ферромагнитным сердечником, у которой обмотку подключают к источнику переменного тока, а производимую катушкой тепловую энергию используют для нагрева теплоносителя, при этом создают контакт теплоносителя со всей поверхностью провода обмотки и ферромагнитного сердечника, а в электрическую цепь катушки с источником переменного тока включают последовательно или параллельно конденсатор, причем электрические параметры источника переменного тока, конденсатора и катушки задают с такими численными значениями, при которых в цепи возникает устойчивый режим феррорезонанса.
При этом конденсатор вместе с катушкой помещают в сосуд с жидким теплоносителем, причем выбирают его температурный коэффициент емкости противоположным по знаку температурному коэффициенту индуктивности катушки.
При этом для запуска режима феррорезонанса дополнительно применяют устройство вольтодобавки, выход которого при включенном источнике питания кратковременно подключают к электрической цепи питания катушки, а после возбуждения режима феррорезонанса его отключают.
Устройство электрического нагревателя с использованием способа, содержащее сосуд, например в форме бака, наполненный жидким теплоносителем, конденсатор и катушку с обмоткой из провода в изоляции, на ферромагнитном сердечнике, набранном из пластин электротехнической стали, погруженные в теплоноситель с возможностью подключения к источнику переменного тока, при этом конденсатор включен в электрическую цепь катушки с источником переменного тока последовательно или параллельно, причем электрические параметры всех элементов цепи выполнены с расчетом работы в режиме феррорезонанса.
При этом устройство снабжено дополнительным устройством вольтодобавки, с возможностью кратковременного подключения к цепи. При этом устройство содержит в цепи ограничитель реактивного тока. При этом в устройстве ограничитель реактивного тока выполнен в виде резистора.
При этом в устройстве катушка соединена с местом ее установки через прокладку, предназначенную для гашения вибрации сердечника.
Изобретение поясняется чертежами: фиг. 1 - фронтальный разрез общего вида устройства нагревателя, фиг. 2 - фронтальный разрез общего вида устройства нагревателя с принудительной циркуляцией теплоносителя, фиг. 3 - схема отопления жилого или производственного помещения, фиг. 4 - принципиальная электрическая схема нагревателя с последовательным феррорезонансом, фиг. 5 - принципиальная электрическая схема нагревателя с параллельным феррорезонансом.
Введены обозначения: 1 - Катушка с ферромагнитным сердечником (дроссель), 2 - бак, 3 - коробка с элементами управления, 4 - прокладка, 5 - диэлектрический теплоноситель, 6 - насос, 7 - трубопровод, 8 - второй бак, его передняя стенка условно не показана, 9 - радиаторы для обогрева, 10 - конденсатор, 11 - генератор для повышения частоты переменного тока, 12 - ограничитель реактивного тока, 13 - включатель, 14 - устройство вольтодобавки, 15 - электрическая часть нагревателя.
Катушка 1 применяется с негерметизованными обмоткой и сердечником для улучшения возможности пропитки их жидким теплоносителем 5. После пропитки снижается утечка тока через изоляцию, повышается устойчивость к электропробою, максимально улучшается теплопередача от нагретых элементов к теплоносителю 5. Конденсатор 10 может быть расположен снаружи бака 2 или внутри него. В последнем случае тепло от нагрева конденсатора тоже отдается теплоносителю 5. В качестве теплоносителя 5 могут использоваться любые жидкие вещества, не разрушающие изоляцию деталей и материалы, расположенные внутри бака 2, например трансформаторное масло, глицерин, парафин (жидкий) и др. Прокладка 4 предназначена для гашения воздействия вибрации от сердечника катушки 1.
При замыкании включателя 13 электрическая часть нагревателя 15 сразу переходит в режим феррорезонанса. Его обеспечивает правильный подбор всех деталей электрической схемы и параметров источника переменного тока (см., например книгу: Рахимов Г.Р. Феррорезонанс (автопараметрическое возбуждение электроферромагнитных цепей). - Изд. Ак. Наук Узбекской ССР. Ташкент, 1957). После возбуждения режима феррорезонанса, его устойчивость сохраняется в широком диапазоне напряжения питания и изменения параметров емкости и индуктивности в результате нагрева.
Тепловая мощность W теплоносителя 5 складывается из трех основных составляющих электрических потерь
АК
ВИХ
Г
где W - мощность активных потерь в проводе обмотки дросселя 1, W - мощность потерь от вихревых токов в сердечнике дросселя, W - мощность потерь на перемагничивание ферромагнетика. В результате, обмотка дросселя и его сердечник интенсивно нагреваются, а тепловая энергия передается теплоносителю.
Эффективность нагревателя увеличивается при увеличении частоты переменного тока и напряжения. С этой целью для небольших устройств возможно использовать генератор 11, повышающий частоту тока. Особенностью феррорезонанса является то, что при увеличении частоты тока выше 50 гц, требуется значительно увеличивать напряжение для его возбуждения. Такая же необходимость возникает и для возбуждения феррорезонанса в мощном дросселе. С этой целью, возможно использовать устройство вольтодобавки 14. Оно предназначено для кратковременного прикладывания электрического импульса напряжением больше чем напряжение источника переменного тока. Параметры импульса задают безопасными для последнего, а после отключения устройства 14, режим возникшего феррорезонанса сохраняется уже при напряжении источника.
Для обогрева больших объектов в настоящее время в качестве теплоносителя используется вода или смеси на ее основе. Нагреватель, выполненный по предлагаемому изобретению, может применяться в первичном контуре нагрева, а от него передавать тепло во вторичный контур, как показано на фиг. 3. Бак 2, его передняя стенка условно открыта, помещен во второй бак 8, с теплоносителем вторичного контура.
В устройстве с использованием предлагаемого изобретения возникают реактивные токи значительной величины. Для поставщиков электрической энергии реактивный ток снижает их возможность подачи в сеть активной энергии, поэтому предусмотрена установка ограничителя реактивного тока 12.