ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКИХ СРЕД

Индукционный нагреватель относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использован для целей отопления и горячего водоснабжения бытовых и производственных помещений.
Индукционные электронагреватели - это современное нагревательное оборудование, реализующее функции высокотемпературного электронагрева жидких сред. Растущая популярность нагревателей индукционного типа обусловлена их следующими достоинствами: высокая защита от поражения электрическим током; незначительное превышение температуры теплообменного устройства над температурой объекта нагрева (не более 20-30°C), что исключает возникновение пожароопасных ситуаций; отсутствие высокотемпературных узлов, что существенно увеличивает срок службы (100000 часов и более) и определяется только степенью старения изоляции обмоточного провода; не образуется накипь; величина коэффициента мощности составляет 0,98 и выше; всегда стабильный КПД 98-99%; устройство неприхотливо к виду теплоносителя (вода, масло, антифриз и т.п.); простота монтажа и обслуживания обеспечивает возможность полной автономности работы и подключения к существующим системам отопления и горячего водоснабжения, а надежность индукционных нагревателей исключает межсезонные и профилактические ремонты; использование высокотемпературных индукционных электронагревателей позволяет до минимума сократить эксплуатационные затраты, при этом они во многих случаях более выгодны, чем парогенераторы, ТЭНовые и электродные котлы, газовые котельные.
На сегодняшний день существует ряд устройств, в которых реализован индукционный нагрев жидких сред.
Так в устройстве по патенту РФ №2301378 [1], нагреватель содержит замкнутый планарный магнитопровод с электрическими обмотками, размещенных на стержнях магнитопровода. Электрические катушки образуют электрическую обмотку магнитной системы нагревателя. Конструкция магниторовода выполнена из труб, которые образуют систему для прохождения и нагрева рабочего тела, например жидкости. Внутри труб установлены цилиндры с наружной винтовой поверхностью, организующей завихрение потока рабочего тела. Внутри труб установлены перегородки для организации последовательного прохождения рабочего тела по трубам системы. Конструкция содержит патрубки для подачи рабочего тела с исходной температурой и вывода нагретого тела до заданного значения.
Нагреватель работает следующим образом. Через входной патрубок поступает рабочее тело (жидкость). Затем обмотка магнитной системы подключается к источнику переменного напряжения. Создается магнитное поле, которое замыкается по элементам магнитопровода и наводит в них вихревые токи, разогревающие поверхности теплообменных, тепло которых передается рабочему телу в процессе его прохождения по указанной выше системе.
В другом устройстве, по патенте РФ №2263418 [2], нагреватель жидких сред, содержит плоский магнитопровод со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанная через магнитопровод с электропроводящей вторичной обмоткой. Вторичная обмотка является теплообменником для нагреваемой жидкой среды, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой жидкой среды. Теплообменник выполнен из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, при этом стержни сердечника установлены так, что витки первичной обмотки располагаются преимущественно в вертикальной плоскости. Каждый трубчатый элемент выполняется в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнить усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенных в одной плоскости, соединить между собой неразъемно. Разогрев жидкой среды, происходит в процессе ее протекания по вторичной обмотке-теплообменнике, которая разогревается в процессе протекания по ней электрического тока, поскольку представляет собой короткозамкнутый электропроводящий контур.
Еще одно устройство индукционного нагревателя (патент РФ №2371889) [3] включает трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой. Вторичная обмотка является теплообменником для нагреваемой жидкой среды, состоящим из трех камер для нагрева жидкой среды. Каждая камера 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 жидкой среды, внутри которых установлены стержни с первичной обмоткой. Трубопровод подачи жидкой среды в камеры для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, два патрубка для входа жидкой среды соответственно в первую и вторую камеры для нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, конец трубопровода подачи жидкой среды присоединен непосредственно к третьей камере для нагрева по ходу подачи жидкой среды, трубопровод выхода жидкой среды установлен вверху индукционного нагревателя, конец трубопровода выхода жидкой среды присоединен к первой или третьей камере для нагрева, два другие патрубка для выхода жидкой среды из камер нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу. Патрубки и конец трубопровода подачи жидкой среды могут быть установлены на нижней цилиндрической части камер. Теплообменная камера, установленная на электромагнитную систему нагревателя по сути представляет собой короткозамкнутый электрический виток, в котором при протекании электрического тока выделяется тепловая энергия.
Как следует из рассмотрения, известные технические решения направлены на оптимизацию конструкции устройства нагревателя для повышения эффективности использования электрической энергии и повышения эффективности теплоотдачи вторичной обмотки.
Существенным недостатком рассмотренных конструкций является сложная форма вторичной обмотки трансформатора, что затрудняет оценку ее электрического сопротивления и расчета выделяемой тепловой энергии, обуславливает материальные и временные затраты на производство нагревателя.
Наиболее близким, по технической сущности к предлагаемому техническому решению является индукционный нагреватель текучих сред по патенту РФ №2031551 [4], принятый за прототип.
Индукционный нагреватель жидких сред, состоит из трехфазного трансформатора с сердечником, выполненным из листовой электротехнической стали, с расположенными на стержнях сердечника первичными обмотками, подключаемыми к электрической сети переменного тока, и трех вторичных электропроводящих обмоток, выполненных из металлических труб, навитых вокруг каждой первичной обмотки трансформатора в один слой, входы и выходы труб гидравлически соединены параллельно, а электрически замкнуты внешним проводником.
Замыкание вторичной обмотки (образование короткозамкнутых витков) осуществляется путем формирования сварных соединений витков вторичной обмотки в местах их прилегания друг к другу. На один виток приходится четыре сварных соединения, равномерно распределенных по витку. При подключении нагревателя к электрической сети на витках вторичной обмотки наводится ЭДС, причем благодаря соединению витков между собой сварочными швами каждый из них оказывается замкнутым сам на себя, т.е. индуцированные во вторичной обмотке токи замыкаются в каждом ее витке.
Устройство, принятое за прототип, имеет ряд существенных недостатков, касающихся теплообменной части устройства (вторичной обмотки трансформатора):
- выполнение дополнительных сварных соединений отдельных участков вторичной обмотки трансформатора усложняет конструкцию вторичной обмотки;
- усложнение конструкции вторичной обмотки индукционного нагревателя увеличивается время его сборки;
- протекание большой величины электрического тока по вторичной обмотке, в частности по сварным соединениям, обуславливает высокие требования к качеству сварных соединений. Качество сварных соединений особенно актуально при создании мощных тепловых установок;
- выполнение вторичной обмотки в виде сложной геометрической конструкции затрудняет определение ее электрического сопротивления электрическому току, что необходимо на этапе проектирования и расчета индукционного нагревателя на номинальную мощность. Подбор геометрии вторичной обмотки практически осуществляется экспериментально для достижения требуемой величины выделяемой в обмотке тепловой энергии;
- сложность определения сопротивления вторичной обмотки, обуславливает материальные и временные затраты при проектировании индукционных нагревателей на произвольную мощность.
Таким образом, выявленные существенные недостатки прототипа обуславливают большие временные и материальные затраты возникающие на этапе при проектирования и изготовления индукционных нагревателей на произвольную номинальную мощность.
Предлагаемое техническое решение - полезная модель - направлено на устранение выявленных недостатков прототипа, а именно на выбор оптимального соотношения геометрических параметров вторичной обмотки индукционного нагревателя для выделения в материале теплообменной части индукционного нагревателя требуемой тепловой энергии, сокращения времени проектирования конструкции индукционного нагревателя на произвольную мощность.
1
1
внутр
внешн
Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что в известном индукционном нагревателе жидких сред, состоящим из трехфазного трансформатора с сердечником, выполненным из листовой электротехнической стали, с расположенными на стержнях сердечника первичными обмотками, подключаемыми к электрической сети переменного тока, и трех вторичных электропроводящих обмоток, выполненных из металлических труб, навитых вокруг каждой первичной обмотки трансформатора в один слой, входы и выходы труб гидравлически соединены параллельно, а электрически замкнуты внешним проводником, диаметр витка вторичной обмотки выбирается равным , количество витков каждой из вторичных обмоток , высота намотки каждой вторичной обмотки определяется из выражения , где U - напряжение электрической сети переменного тока, (ω) - число витков каждой из первичных обмоток трансформатора, P - мощность нагревателя, ρ - удельное сопротивление материала труб, l - длина каждой из труб, внутренний и внешний диаметр которой d и d, соответственно.
Технический результат в предлагаемом устройстве достигается обеспечением оптимальных соотношений геометрических и электрических параметров вторичной обмотки трансформатора, являющейся теплообменным элементом индукционного нагревателя. При обеспечении предложенных соотношений электрическое сопротивление вторичной обмотки обуславливает выделение в ней требуемой тепловой энергии с максимальной эффективностью, что позволяет устранить недостатки прототипа.
Сущность предложенного технического решения поясняется фиг. 1 -фиг. 3.
1
1
внешн
внутр
2
Предлагаемая конструкция индукционного нагревателя для жидких сред представляет собой трехфазный трансформатор, состоящий из сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали (поз. 1 фиг. 1 - фиг. 3), трех первичных обмоток (поз. 2 фиг. 1, фиг. 3), каждая из которых содержит ω витков, электрически соединены звездой и предназначены для подключения к трехфазной электрической сети переменного тока. При подключении трансформатора к электрической сети на каждую обмотку трансформатора подается электрическое напряжение U. На каждую первичную обмотку трансформатора устанавливаются вторичные обмотки (поз. 3 фиг. 1 - фиг. 3), выполненные из металлических труб с внешним и внутренним диаметрами d и d соответственно, навитых вокруг каждой первичной обмотки трансформатора в один слой. Входы и выходы трех труб гидравлически соединены параллельно, а электрически замкнуты внешним проводником (поз. 4 фиг. 2) таким образом, что образуются три короткозамкнутые обмотки. Геометрические параметры каждой из трех вторичных обмоток трансформатора определяют их электрическое сопротивление, которое должно удовлетворять условию выделения в них определенной тепловой энергии при индуцировании во вторичной обмотке напряжения U.
Сечение вторичной обмотки, выполненной в виде металлической трубы и определяется из следующего выражения:
,
Активное электрическое сопротивление каждой вторичной обмотки трансформатора определяется из следующего выражения:
,
где ρ - удельное сопротивление материала, l - длина проводника каждой вторичной обмотки.
С учетом сечения вторичной обмотки, ее электрическое сопротивление определяется из следующего выражения:
.
2
Напряжение U, которое должно индуцироваться во вторичных обмотках для выделения в них мощности P определяется из следующего выражения:
.
1
1
Количество витков вторичной обмотки, с учетом напряжения первичной обмотки U количества витков первичной обмотки ω определяется из следующего выражения:
.
Высота намотки вторичной обмотки H определяется из следующего выражения:
.
Диаметр каждого витка вторичной обмотки определяются из следующего выражения:
Достигаемый технический результат предлагаемого устройства, выражающийся в обеспечении выявленных оптимальных соотношений геометрических параметров вторичной обмотки трансформатора, обеспечил упрощение конструкции индукционного нагревателя, сокращение времени его проектирования, исключение процедуры корректировки параметров индукционного нагревателя после его изготовления.
Полезная модель апробирована при разработке опытного образца индукционного нагревателя мощностью 6 кВт. Серийный выпуск индукционных нагревателей мощностью до 1000 кВт планируется ООО «Промышленная компания» в 2014 году.
Список литературы, используемой при составлении заявки:
1. Пат. 2301378 Российская Федерация, МПК F24Н 1/20. Индукционный нагреватель жидкости [Текст] / Зверев Ю.В., Лапин А.Н., Цыкарев Ю.Б.; заявитель и патентообладатель Зверев Юрий Викторинович (RU), Лапин Александр Николаевич (RU), Цыкарев Юрий Борисович (RU). - №2005134426/06; заявл. 07.11.2005; опубл. 20.06.2007.
2. Пат. 2263418 Российская Федерация, МПК 7 Н05В 6/10, F24Н 1/10. Индукционный нагреватель текучих сред [Текст] / Карманов Е.Д., Шаплов С.И.; заявитель и патентообладатель Карманов Евгений Дмитриевич (RU), Шаплов Сергей Иванович (RU). - №2001120236/09; заявл. 18.07.2001; опубл. 27.10.2005.
3. Пат. 2371889 Российская Федерация, МПК Н05В 6/00. Индукционный нагреватель текучих сред [Текст] / Брагин А.Н., Бардокин В.А.; заявитель и патентообладатель Брагин Александр Николаевич (RU), Бардокин Владислав Александрович (RU). - №2008121130/09; заявл. 26.05.2008; опубл. 7.10.2009.
4. Пат. 2031551 Российская Федерация, МПК 6 Н05В 6/10. Индукционный нагреватель текучих сред [Текст] / Бойков Ю.Н., Войцеховский В.С.; заявитель и патентообладатель Бойков Ю.Н., Войцеховский В.С.. - №5035400/07; заявл. 01.04.1992; опубл. 20.03.1995.