Электронагревательное устройство трансформаторного типа
TRANSFORMER TYPE ELECTRIC HEATING DEVICE

Предлагаемое изобретение относится к электротехническим устройствам для нагрева газов и жидкостей и может быть использовано как в промышленности, так и в быту, например для обогрева помещения.
Известно электронагревательное устройство трансформаторного типа (см., например, патент РФ на изобретение №2164644, кл. Н05В 6/10), содержащее кольцевой магнитопровод с индукционной первичной обмоткой и вторичной короткозамкнутой обмоткой, выполненной в виде двух концентрично расположенных токопроводящих труб, наружной и внутренней, концы которых соединены токопроводящими фланцами, наружным и внутренним, при этом внутренний фланец соединён с металлическим стержнем, проходящим через осевое отверстие магнитопровода.
Недостаток представленного электронагревательного устройства состоит в сложности его изготовления с использованием сварки.
Дело в том, что при изготовлении вторичной короткозамкнутой обмотки из двух концентрично расположенных труб и двух торцевых фланцев для надёжности их соединения между собой используется сварка, так как в одновитковом вторичном витке наведённая ЭДС не может быть большой и из-за образования в местах контакта (без сварки!) окислов, сульфидов и др. в результате газовой коррозии при высокой температуре возможно непрохождение тока (см., например, книгу «300 практических советов», автор Бастанов В.Г., «Московский рабочий», М.,1993 г., стр. 32).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является электронагревательное устройство трансформаторного типа по патенту РФ на изобретение №2260927, кл. Н05В 6/10, содержащее замкнутый магнитопровод с индукционной первичной обмоткой, помещённые в электроизоляционный кожух, и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку.
Недостаток электронагревательного устройства по прототипу состоит в громоздкости и в ограниченности области применения. Такое громоздкое устройство невозможно, например, использовать для нагрева жидкости в ёмкостях. Даже транспортировка его сопряжена с трудностями - упаковка, погрузка, выгрузка. Для получения на проводах вторичной обмотки высокой температуры их надо выполнять из материала с высокой электропроводностью, но все такие материалы являются некоррозионно-стойкими. Если же провода выполнять из коррозионно-стойкого материала, то конструкция становится неподъемной из-за большого сечения проводов, да и температура таких проводов будет невысокой. Также надо отметить, что выполнение кожуха из электроизоляционного материала пагубно влияет на теплопередачу тепла в окружающую среду с первичной обмотки, так как коэффициент теплопроводности таких материалов очень низкий (см., например, «Справочник по физике», автор А.С. Енохович, М., Просвещение, стр. 169). Для сравнения можно показать, что коэффициент теплопроводности даже для нержавеющей стали равен 17,5 Вт/м⋅К (см., например, книгу «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», авторы Павлов К.Ф. и др., Химия, М., стр.529), что значительно выше, чем для диэлектриков. Но надо отметить, что в прототипе электроизоляционный кожух кроме защиты первичной обмотки несёт и конструкционные функции крепления в нём упоров, так что кожух в устройстве представляет собой серьёзное сооружение, так как он должен выдержать значительные механические нагрузки. И однажды выполненное электронагревательное устройство должно всю жизнь работать по первоначально обозначенному назначению и исполнению, так как всё в нём скреплено намертво - и дорогие элементы, и копеечные, изделие неразборное.
Задача предлагаемого изобретения - исключить или, по крайней мере, уменьшить недостатки прототипа.
Технический результат, заключается в создании компактного, высоконадёжного, многофункционального, разборного электронагревательного устройства. При этом эффективность и надёжность работы предлагаемого электронагревательного устройства становится выше по сравнению с прототипом.
Технический результат достигается тем, что в электронагревательном устройстве трансформаторного типа, содержащем замкнутый магнитопровод с индукционной первичной обмоткой и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку, вторичная многовитковая короткозамкнутая обмотка выполнена из токопроводящих дугообразных элементов, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода и их концы проводниками соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, токопроводящие дугообразные элементы выполнены из труб, в трубах выполнена перфорация, токопроводящие дугообразные элементы выполнены из биметаллических труб с внутренним слоем из меди, полости труб заполнены сыпучим графитом.
Выполнение вторичной многовитковой короткозамкнутой обмотки из отдельных токопроводящих дугообразных элементов, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода и их концы проводниками соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, позволяет создать многовитковую обмотку на месте применения из отдельных дугообразных элементов и тем самым обеспечить и преимущества вторичного многовиткового короткозамкнутого витка, и избежать трудностей, связанных с транспортировкой габаритной неразборной многовитковой обмотки. Один и тот же замкнутый магнитопровод с первичной обмоткой может быть использован многократно в разных вариациях, а это - самые дорогие элементы нагревателя. Если электронагревательное устройство нужно передислоцировать в другое место - разобрали, перевезли и собрали на новом месте. Выполнение дугообразных элементов из труб, в частности алюминиевых, значительно уменьшает вес многовитковой обмотки. Помещение замкнутого магнитопровода с индукционной первичной обмоткой в герметичную камеру из металла нисколько не уменьшает выше перечисленные достоинства, только расширяет область применения - позволит нагревать и всевозможные жидкие среды, да и сама металлическая камера тоже будет разогреваться.
В предложенном электронагревательном устройстве нагревательные дугообразные элементы можно располагать как вертикально, так и горизонтально, опускать на дно ёмкости, и использовать конвективную теплопередачу для повышения эффективности нагрева текучих сред. Выполнение в трубах перфорации позволяет обеспечить теплосъём и с внутренней поверхности труб. Использование биметаллических труб, выпускаемых по ГОСТ 22786-77 на трубы биметаллические бесшовные для судостроения из чёрной коррозионно-стойкой сталей с внутренним слоем из меди, позволяет значительно уменьшить весогабаритные параметры предлагаемого электронагревательного устройства. При нагреве труб их активное сопротивление увеличивается, и нагрев трубы уменьшается. Заполнение полостей труб сыпучим графитом несколько компенсирует вышеуказанное уменьшение нагрева, так как графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
На прилагаемых чертежах представлены два варианта предлагаемого электронагревательного устройства: на фиг. 1 - без камеры; на фиг. 2 - с камерой; на фиг. 3 - вариант соединений труб между собой; на фиг. 4 - сечение по АА на фиг. 3.
Предлагаемое электронагревательное устройство трансформаторного типа содержит замкнутый магнитопровод 1 с индукционной первичной обмоткой 2 и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку, выполненную из токопроводящих дугообразных элементов 3, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода 1 и их концы проводниками 4 соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода 1. Количество дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4 может быть любым - важно обеспечить суммарное напряжение на обмотке не менее 5В.
Герметичная камера 5 позволяет расширить область применения предлагаемого электронагревательного устройства, имеется в виду на жидкие среды. При обогреве помещений токопроводящие дугообразные элементы 3 могут быть выполнены протяжёнными многопроволочными элементами в изоляции и помещены в пластмассовые или металлические трубы (на чертежах не показано). Это удобно при получении низкотемпературного тепла. Для подсоединения к концам дугообразных элементов 3 проводников 4 можно использовать вариант подсоединения наконечников в штеккеры или вариант подсоединения наконечников на концах дугообразных элементов 3 и соединительных проводников под гайку на клеммной колодке (см., например, книгу «300 практических советов», автор В.Г. Бастанов, Московский рабочий, М., 1993 г., стр. 9,10,12,14).
Для нагрева жидкостей конечно предпочтителен трубный вариант выполнения дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4 для вторичной многовитковой короткозамкнутой обмотки. На фиг.3 трубы 4 имеют на концах резьбу 6 и прорези 7, гайка 8 имеет коническую резьбу 9 (см., например, книгу «Общетехнический справочник» под редакцией Е.А. Скороходова, М., Машиностроение, 1982 г., стр. 199-200).
При сборке многовитковой обмотки конец соединительной трубки 3 вставляют в конец трубки 4 и начинают накручивать гайку 8 по резьбе 6 на трубе 4. При наличии прорезей 7 на конце трубы 3 и конической резьбы в гайке 8 при накручивании последней происходит надёжное обжатие конца трубки 4 прорезанными участками конца трубы 3, обеспечивающее надёжное соединение труб 3 и 4.
Работает устройство следующим образом.
На месте применения монтируют вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку из дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4. При подаче питания на обмотку 2 по её виткам начинает проходить ток и в магнитопроводе 1 создаётся магнитный поток, который наводит на каждом дугообразном элементе ЭДС=e. При последовательном соединении концов ветвей дугообразных элементов 3, проходящих через окно магнитопровода 1, с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, на концах образовавшейся многовитковой обмотки будем иметь ЭДС'=Σe и при соединении этих концов между собой в обмотке возникает короткозамкнутый ток, разогревающий её витки и теплоноситель, контактирующий с этими витками. Так как в ветвях дугообразных элементов 3 токи протекают в противоположных направлениях, то магнитные поля в окружающем электронагревательном пространстве взаимно компенсируются.