ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД
INDUCTION FLUID HEATER

Изобретение относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих сред.
Известно трехфазное электронагревательное устройство трансформаторного типа (свидетельство на полезную модель RU №2692, МПК6 H05B 6/10, опубл. 16.08.96 г.). Электроводонагреватель содержит плоский шихтованный стержневой магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой и короткозамкнутую вторичную обмотку. Вторичная обмотка состоит из трех цилиндров, концентрически охватывающих первичные обмотки, боковин, охватывающих все три стержня с обмотками, и двух торцов - верхнего и нижнего, причем вторичная обмотка является одновременно частью бака. Недостатком устройства является низкий коэффициент полезного действия и высокая металлоемкость.
Известен индукционный нагреватель жидкости (свидетельство на полезную модель RU №21709, МПК6 H05B 6/10, опубл. 27.01.2002 г.). Индукционный нагреватель жидкости содержит трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходными патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых расположен стержень трансформатора. Камера нагрева снабжена перемычками из электропроводящего материала, расположенными между сквозными каналами, электрически соединяющими противоположные стенки камеры нагрева и образующими короткозамкнутые контуры вокруг стержней сердечника. Недостатком нагревателя является недостаточный теплосъем, что приводит к перегреву первичной обмотки на крайних стержнях, отсутствие симметрии коэффициентов мощности по фазам, камера не способна держать высокое давление.
Известен индукционный нагреватель жидкости (Патент RU №2074529, МПК6 H05B 6/10, опубл. 27.02.97 г.), который содержит корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником. Теплообменник выполнен в виде пустотелой камеры с одним нижним входным и одним верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости. В камере имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника трансформатора. Недостатком данного устройства является сложность конструкции и недостаточно высокий коэффициент полезного действия устройства, так как отдает тепло не только в нагреваемую жидкость, но и рассеивает его в окружающую среду.
Известен индуктивно-кондуктивный нагреватель жидкости (Патент RU №2301507, МПК H05B 6/10, опубл. 20.06.2007 г.), содержащий трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях сердечника первичной обмоткой и вторичной обмоткой, являющейся камерой нагрева, выполненной пустотелой с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в которой имеются сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора. Камера нагрева разделена на идентичные части по числу стержней сердечника трансформатора, причем указанные входной и выходной патрубки и сквозной канал с установленным в нем стержнем сердечника трансформатора расположены в каждой части камеры нагрева. Нагреватель позволяет снизить материалоемкость и проводить одновременный нагрев двух и более жидкостей, так как патрубки для подачи жидкости и выхода нагретой жидкости выполнены в каждой отдельной камере и не связаны между собой. Недостатком данного нагревателя является недостаточно высокий срок службы из-за отложения солей, а также высокая материалоемкость из-за раздельной подачи в каждую камеру различных жидкостей, что уменьшает коэффициент полезного действия нагревателя. Трехфазный сердечник из ферромагнитного материала с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды.
Наиболее близким техническим решением является индукционный нагреватель текучих сред (Заявка RU №2006121117, МПК H05B 6/10, опубл. 10.01.2008 г.), включающий шихтованный трехфазный сердечник из ферромагнитного материала с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды. Теплообменник состоит из трех камер для нагрева текучей среды, каждая из которых выполнена из двух цилиндров разного диаметра, установленных концентрично один в другом, соединенных вверху и внизу торцевыми заглушками с образованием герметичной пустотелой камеры для нагрева в ней текучей среды, внутри которых установлены стержни с первичной обмоткой, витки которой расположены в горизонтальной плоскости с воздушным зазором с образованием замкнутого контура вокруг соответствующего стержня сердечника, каждая камера имеет патрубки для входа и выхода текучей среды. Патрубки всех трех камер для входа текучей среды присоединены параллельно к общему трубопроводу для подачи одной текучей среды во все три камеры, а патрубки выхода подсоединены параллельно к трубопроводу для выхода нагретой текучей среды. Недостатком данного нагревателя является недостаточно высокий коэффициент полезного действия.
Общими для прототипа и заявляемого изобретения являются
- наличие трансформатора с шихтованным сердечником из ферромагнитного материала с первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока;
- вторичная электропроводящая обмотка, являющаяся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности индукционного нагревателя.
Поставленная задача решается с помощью индукционного нагревателя текучих сред, содержащего одно- или трехфазный трансформатор с О-образным шихтованным тороидальным сердечником из ферромагнитного материала, состоящим из плоских замкнутых колец, с первичной обмоткой бифилярного типа с присоединенным к ней параллельно резонансным конденсатором, подключаемыми к сети переменного тока; вторичную обмотку, состоящую из одного или нескольких витков толстостенной медной трубы, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды; патрубки для входа и выхода текучей среды. При этом, если витков вторичной обмотки несколько, то они электрически соединены между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка; в качестве вторичной обмотки используют медную трубу марки M1; в качестве ферромагнитного материала используют магнито-мягкую изотропную листовую электротехническую сталь; трубопровод подачи текучей среды для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, а трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены виды нагревателя сверху и сбоку, на фиг. 2 - таблица расчетных параметров индукционного нагревателя.
Предлагаемый индукционный нагреватель содержит О-образный шихтованный тороидальный сердечник 1 из ферромагнитного материала, состоящий из плоских замкнутых колец, на который намотана катушка первичной обмотки 4 бифилярного типа. В качестве ферромагнитного материала используют магнито-мягкую изотропную листовую электротехническая сталь, например, марки 2421 по ГОСТ 21427.3-83; толщину листов и марку выбирают соответственно рабочей частоте; значения индукции в зависимости от напряженности магнитного поля режима до насыщения не менее 1.4 Тл. К катушке параллельно присоединен резонансный конденсатор (на изображениях не показан), образующий вместе с ней параллельный колебательный контур. О-образная форма сердечника предложена исходя из требований по долговечности работы нагревателя (15-20 лет) и резонансного режима работы. Иные типы сердечников (П-образный, Ш-образный и др.) не отвечают этим требованиям. Обеспечение электрически замкнутых колец в О-образном сердечнике вдоль силовых линий магнитного поля способствует увеличению КПД устройства.
Электроемкость (С) образованного колебательного контура рассчитывается из значения частоты f=50 Гц для резонансного контура по формуле:
где L - индуктивность, Гн;
С - емкость, Ф.
Колебательный контур соединен с источником переменного тока.
Применение бифилярного способа намотки первичной обмотки 4 повышает коэффициент связи между витками первичной обмотки (k=1) и тем самым увеличивает ее общую индуктивность
где ω - угловая частота, рад*Гц;
2
S - площадь поперечного сечения сердечника, м;
l - длина средней линии сердечника, м;
μ - абсолютная магнитная проницаемость сердечника.
Значения магнитной проницаемости, магнитного сопротивления и других параметров на соответствующий материал выбираются из справочников или других нормативных документов, например ГОСТ 21427.2-83. Выбор определяется необходимостью получения высоких показателей индуктивности.
Магнитный поток (Ф) в сердечнике 1 определяется как отношение намагничивающей силы к магнитному сопротивлению сердечника и определяется по формуле:
Таким образом, создается требуемое количество энергии, сосредоточенной в магнитном поле, вычисляемое по формуле:
используемое для образования требуемого количества тепловой энергии во вторичной обмотке, выполняющей функцию теплообменника. Вторичная обмотка 2 представляет собой теплообменник для нагрева текучей среды, который выполнен в виде витков толстостенной медной трубы, например, с толщиной стенки 7~10 мм, предпочтительно марки M1, электрически соединенных между собой по всей длине сварочным швом с образованием короткозамкнутого витка. Толщина стенки трубы определяется требованием уменьшения сопротивления вторичной обмотки за счет увеличения площади поперечного сечения проводника, поэтому 7 мм - оптимальная минимальная толщина стенки, 10 мм - оптимальная максимальная толщина, т.к. ее увеличение ограничено технологическими сложностями намотки. Так как все витки вторичной обмотки 2 соединены между собой накоротко по всей длине, то при расчетах количество витков вторичной обмотки принимается равным единице, что позволяет снизить взаимоиндукцию между вторичной обмоткой 2 и первичной обмоткой и считать ее равной нулю. Резьба 3 (фиг. 1) используется для присоединения индукционного нагревателя к системе отопления.
Пример расчета получения тепла, вырабатываемого индукционным нагревателем.
Расчет произведен из определения полезного количества теплоты, необходимого для повышения температуры нагреваемого материала до заданной величины без учета тепловых потерь,
где m - масса нагреваемого материала, кг;
к
н
t, t - конечная и начальная температура, С°;
с - удельная теплоемкость материала, кДж\(кг⋅С°)
Определив полезное количество теплоты, определяем общее количество теплоты, с учетом излучения теплоты в окружающую среду,
где μ - КПД индукционного нагревателя.
Мощность нагревателя определяем по формуле:
где k - коэффициент эффективности излучения,
t - время нагрева, ч.
Результаты расчетов, полученных на основе данных с экспериментального нагревателя, приведен в таблице (фиг. 2).
КПД изобретения и коэффициента мощности будут выше, чем в известных аналогах. Это стало возможно за счет использования резонанса, возникающего в параллельном колебательном контуре, образованном первичной обмоткой нагревателя и резонансным конденсатором. Изобретение обеспечивает возможности использования нагревателя в системах с естественной циркуляцией, а также при нагреве до высоких температур текучих сред с принудительной циркуляцией.