ИНДУКТИВНО-КОНДУКТИВНЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева технологических жидкостей, а также питьевой воды и теплоносителя для электроотопления.
Индукционные нагреватели жидкости известны давно, например, «сосуд, который использует для индуктивно-кондуктивного нагрева жидкости железный сердечник трансформатора» (патент Германии №329131 с приоритетом от 22 января 1918 г.), не получивший практического применения из-за большой удельной материалоемкости и низких коэффициента преобразования электроэнергии в тепловую (КПД) и коэффициента мощности (cosφ).
Однако неоспоримые преимущества низкочастотных (50, 60 Гц) индукционных нагревателей жидкости применительно к современным требованиям электробезопасности и пожаробезопасности в сравнении с резистивными нагревателями (ТЭНовыми) и электродными (для воды) обусловили повышенный интерес к новым конструкциям индукционных нагревателей. К ним относится, например, индуктивно-кондуктивный электронагреватель жидкости (по заявке Франции №2565059 МКИ Н05 В 6/10), позволяющий использовать конструктивное исполнение и технологию изготовления традиционных трехфазных трансформаторов, содержащий шихтованный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети и вторичную обмотку, выполненную в виде короткозамкнутого змеевика из электропроводящих трубок, в которых находится жидкость, нагреваемая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки.
К недостаткам этого электронагревателя относятся ограниченный коэффициент мощности ввиду повышенного магнитного потока рассеяния, связанного с многовитковой вторичной обмоткой; неравномерный нагрев электропроводящих трубок по сечению, приводящее к локальному перегреву и устойчивого парообразования, вызывающего интенсивное отложение солей, уменьшение сечение трубопровода; повышенное гидродинамическое сопротивление греющих трубок змеевика и повышенные потери мощности на циркуляцию жидкости.
Известен индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости с улучшенным коэффициентом мощности (патент США №4602140 МКИ H05B 6/10, НКИ 219-10.51), содержащий трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, на стержнях которого намотана первичная обмотка, подключаемая к сети переменного тока. Вторичная обмотка, индукционно связанная с первичной обмоткой через сердечник, представляет собой одновитковую систему прямых трубок из электропроводящего материала, проходящих вне стержней сердечника перпендикулярно к ним и параллельно виткам первичной обмотки, и электрически замкнутых на концах электропроводными немагнитными пластинами. Эта система трубок, нагреваемых индукционными токами, представляет собой теплообменник (камеру нагрева), в котором нагревается теплоноситель.
К недостаткам этого нагревателя относятся малая поверхность теплоотдачи, что вызывает повышенные удельные поверхностные тепловые нагрузки, вызывающие накипеобразование в трубках, и повышенные потери энергии на циркуляцию теплоносителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является принятый за прототип индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости (патент на изобретение RU №2301507 С2, H05B 6/10), который содержит трансформатор с ферромагнитным сердечником и расположенными на стержнях первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходным патрубками для нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых установлен стержень трансформатора, камера нагрева разделена на идентичные части по числу стержней трансформатора, причем указанные входной и выходной патрубки и сквозной канал с установленным в нем стержнем трансформатора расположены в каждой части камеры нагрева.
К недостаткам прототипа относятся:
повышенная материалоемкость нагревателя и системы нагрева с его использованием в связи с тем, что первичная обмотка находится между стержнем трансформатора и камерой нагрева, отделена от металлических частей нагревателя двумя воздушными зазорами, что ограничивает величину питающего напряжения и требует применения понижающей электрической подстанции для нормальной работы нагревателя;
отсутствие защитного электрического экрана между первичной обмоткой и камерой нагрева снижает электробезопасность обслуживания нагревателя при повышенном напряжении при случайном пробое электрическим полем зазора между первичной обмоткой и камерой нагрева;
отсутствие защитного теплового экрана между первичной обмоткой и камерой нагрева приводит к перегреву первичной обмотки от теплового потока камеры нагрева и снижению изоляционных свойств обмоточного провода, что снижает срок службы нагревателя.
Задачей изобретения является создание индуктивно-кондуктивного нагревателя жидкости с низкой материалоемкостью, высокой электробезопасностью обслуживания нагревателя при повышенном напряжении и увеличенным сроком службы.
Поставленная задача достигается тем, что в индуктивно-кондуктивном нагревателе, который содержит ферромагнитный сердечник, на каждом стержне которого установлены пустотелая камера нагрева с электропроводящими стенками, выполненная с входным и выходным патрубками для нагреваемой жидкости, и обмотка, охватывающая камеру нагрева, имеется электротеплозащитный металлический экран между обмоткой и камерой нагрева.
На чертеже представлен предлагаемый индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости, например трехфазного типа, который содержит трех стержневой шихтованный ферромагнитный сердечник 1 с расположенной на стержнях сердечника первичной обмоткой 2, подключаемой к сети.
Вторичная обмотка является камерой нагрева, которая выполнена в виде трех (по количеству стержней сердечника) цилиндрических пустотелых частей 3 с электропроводящими стенками с входным 4 и выходным 5 патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, каждая часть имеет сквозной вертикальный канал 6, в котором установлен стержень сердечника 1. Между внешней поверхностью стенки камеры нагрева 7 и внутренней поверхностью 8 первичной обмоткой 2 имеется воздушный зазор 9, величина которого достаточна для исключения пробоя при повышенном напряжении между первичной и вторичной обмотками.
Между первичной и вторичной обмотками в воздушном зазоре 9 расположен электротеплозащитный металлический экран 10, представляющий собой разомкнутый цилиндр, охватывающий вторичную обмотку и имеющий полированную поверхность с высокими теплоотражающими свойствами, обращенную к камере нагрева.
Индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости функционирует следующим образом. После заполнения частей 3 камеры нагреваемой жидкостью первичная обмотка 2 подключается к сети переменного тока и в стержнях сердечника 1 создаются магнитные потоки. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в камере нагрева индуцируются токи, вызывающие ее нагрев. Электротеплозащитный металлический экран присоединяется к заземлению устройства, обеспечивает защиту устройства при случайном попадании электрического потенциала и отражает тепловой поток, рассеиваемый камерой нагрева, от первичной обмотки.
Технический эффект предлагаемого индуктивно-кондуктивного электронагревателя жидкости по сравнению с прототипом состоит в следующем:
снижается материалоемкость нагревателя и системы нагрева с его использованием в связи с тем, что первичная обмотка охватывает камеру нагрева, отделена от металлических частей нагревателя одним воздушным зазором, что позволяет использовать повышенное питающее напряжение и не требует применения понижающей электрической подстанции для нормальной работы нагревателя;
наличие защитного электрического экрана между первичной обмоткой и камерой нагрева повышает электробезопасность обслуживания нагревателя при повышенном напряжении при случайном пробое электрическим полем зазора между первичной обмоткой и камерой нагрева;
наличие защитного теплового экрана между первичной обмоткой и камерой нагрева снижает перегрев первичной обмотки от теплового потока камеры нагрева и сохраняет изоляционные свойства обмоточного провода, что увеличивает срок службы нагревателя.