УСТРОЙСТВО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ЖИДКИХ СРЕД
DEVICE FOR INDUCTION HEATING OF LIQUID MEDIA

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам индукционного нагрева жидких сред, и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения в сельскохозяйственных и коммунально-бытовых объектах для нагрева жидких сред, не вступающих в активное химическое взаимодействие с элементами индукционного нагревателя.
Известно устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее индуктор (обмотку), ферромагнитный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб с зазором для прохода жидкости, в котором наружная - немагнитная.
(Патент ГДР №46314, 21h 18/29, 1966 г.)
Недостатками этого устройства являются низкие энергетические показатели и, соответственно, коэффициент мощности, обусловленные неравномерностью нагрева внутренней и наружной трубами и зависимостью температуры нагреваемой жидкости от расхода.
Известно устройство индукционного нагрева жидких сред, включающее, по меньшей мере, один индукционный нагреватель, содержащий, по меньшей мере, одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, соединенную с трубопроводом для подачи и отвода жидкости через входной и выходной патрубки соответственно и последовательно соединенную с регулятором переменного тока. Источник питания - переменный ток с частотой 50 Гц (заявка Франции №2568083, Н05В 6/10, 1986 г.).
Однако указанное устройство имеет невысокий коэффициент мощности (0,70-0,78), поскольку при его эксплуатации происходит рассеяние тепла в пространстве от наружной индукционной обмотки, и неполное поглощение электромагнитной энергии оболочкой индукционного нагревателя. Невысокий коэффициент мощности приводит к снижению КПД устройства (до 0,80-0,85), показатель которого снижают, и омические потери на индукционной обмотке устройства, имеющей большое количество витков медного провода, что связано с использованием тока питания частотой 50 Гц.
Известно устройство индукционного нагрева жидкости, например, воды, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо, смонтированное в нижней части корпуса над днищем, и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкой среды, индуктор, входной патрубок для нагреваемой жидкой среды и выходной патрубок для нагретой жидкой среды, массивный сердечник, установленный внутри трубы с кольцевым зазором и имеющий сквозные каналы вдоль оси для прохода нагреваемой среды, при этом сквозные каналы соединены с выходным патрубком, а кольцевой зазор с одного конца соединен с входным патрубком, а с другого - со сквозными каналами сердечника и место соединения охвачено кожухом, примыкающим к трубе.
(Патенте SU №1019676 A1, H05B 6/10, 1983 г.)
Недостатки указанного устройство заключаются в том, что при прохождении потока воды через сквозные каналы под давлением частицы осадка (накипи) неизбежно захватываются потоком и осаждаются на внутренних стенках этих каналов. В результате осаждения накипи сечение каналов уменьшается, снижая тем самым производительность устройства и его КПД. При относительно большой длине и малом диаметре каналов профилактические работы, с целью прочистки каналов, проводить сложно. Кроме того, ограничен коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую из-за теплового рассеивания с внешней поверхности обмотки устройства, а изготовление массивного сердечника со сквозными каналами требует относительно больших производственных затрат и усложняет технологию производства.
В качестве ближайшего аналога (прототипа) принято известное устройство индукционного нагрева жидких сред, описанное в патенте на полезную модель «Устройство индукционного нагрева жидких сред» (патент №87856 от 02.06.2009 г.).
По указанному патенту устройство индукционного нагрева жидких сред включает цилиндрический корпус с крышкой и днищем, внутреннее кольцо с прорезями, смонтированное над днищем, входной и выходной патрубки, центральный цилиндрический канал, установленный соосно с корпусом, при этом верхняя часть цилиндрического канала соединена с крышкой корпуса и на его поверхности в этой части выполнены сквозные отверстия для прохода нагреваемой жидкой среды, а нижняя часть канала соединена с выходным патрубком. Устройство также содержит индуктор, выполненный в виде цилиндра, в котором помещена обмотка, при этом индуктор смонтирован на внутреннем кольце с прорезями между корпусом и цилиндрическим каналом с образованием кольцевых каналов для прохождения нагреваемой жидкой среды, а его обмотка, герметично запрессованная связующим диэлектрическим материалом, своей верхней частью соединена с крышкой корпуса, а нижней - с внутренним кольцом с прорезями.
Недостатками известного устройства-прототипа являются:
- сравнительно низкий коэффициент мощности и КПД устройства, обусловленные малой скоростью и площадью нагрева жидкой среды, значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла;
- устройство предназначено для использования сравнительно малых объемов жидких сред.
Настоящее изобретение направлено на решение технических задач по созданию устройства индукционного нагрева жидких сред, обеспечивающего максимальный теплообмен, приводящий к быстрому и стабильному нагреву большого объема жидких сред при одновременном сохранении надежности устройства и снижении его эксплуатационных расходов.
Достигаемым при этом техническим результатом является повышение коэффициента мощности и, соответственно, полезного действия (КПД) устройства, использование устройства как при однофазном, так и при трехфазном электропитании, повышение срока эксплуатации, надежности и стабильности работы.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее цилиндрический корпус с крышкой и днищем, кольцо с прорезями, центральный цилиндрический канал, индуктор, выполненный в виде цилиндра и смонтированный на кольце с прорезями с образованием кольцевых каналов для циркуляции нагреваемой жидкой среды и содержащий обмотку, герметично запрессованную связующим диэлектрическим материалом, верхняя часть которой соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с кольцом, входной и выходной патрубки, устройство дополнительно снабжено, двумя цилиндрами, коаксиально установленными и смонтированными с образованием кольцевых каналов для циркуляции нагреваемой жидкой среды, и тремя кольцами с прорезями, при этом первое кольцо смонтировано под входным патрубком и служит упором для первого цилиндра, установленного с наружной стороны индуктора, второе кольцо смонтировано в нижней части второго цилиндра, установленного между индуктором и центральным цилиндрическим каналом и служит упором для центрального цилиндрического канала, а третье кольцо, выполненное из двух частей, смонтировано под крышкой устройства и служит для ограничения верхних частей первого и второго цилиндров, при этом входной и выходной патрубки установлены вдоль одной оси.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемых технических результатов.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - общий вид устройства, в разрезе;
фиг.2 - разрез по А-А фиг.1;
фиг.3 - разрез по Б-Б фиг.1.
Устройство индукционного нагрева жидких сред, содержащее цилиндрический корпус 1 с крышкой 2 и днищем 3, кольцо 4 с прорезями, центральный цилиндрический канал 5, индуктор 6, выполненный в виде цилиндра и смонтированный на кольце 4 с прорезями с образованием кольцевых каналов для циркуляции нагреваемой жидкой среды и содержащий обмотку 7, герметично запрессованную связующим диэлектрическим материалом, верхняя часть которой соединена с крышкой 2 корпуса 1, а нижняя - с кольцом 4, входной и выходной патрубки 8 и 9 соответственно, кроме того, устройство дополнительно снабжено двумя цилиндрами 10 и 11, коаксиально установленными и смонтированными с образованием кольцевых каналов для циркуляции нагреваемой жидкой среды, и тремя кольцами с прорезями, причем первое кольцо 12 смонтировано под входным патрубком и служит упором для первого цилиндра 10, установленного с наружной стороны индуктора 6, второе кольцо 13 смонтировано в нижней части второго цилиндра 11, установленного между индуктором 6 и центральным цилиндрическим каналом 5, и служит упором для центрального цилиндрического канала 5, а третье кольцо 14, выполненное из двух частей, смонтировано под крышкой 2 и служит для ограничения верхних частей первого и второго цилиндров 10 и 11, причем входной и выходной патрубки 8 и 9 установлены вдоль одной оси.
Устройство индукционного нагрева жидких сред используется следующим образом.
Обмотку индуктора 6, соединенную с крышкой 2 устройства, подключают к сети. Питание может осуществляться от сети как трехфазного, так и однофазного переменного тока. Количество витков и сечение провода катушки рассчитаны таким образом, что при прохождении нагреваемой жидкости обеспечивается оптимальный нагрев при заданном объеме воды. Нагрев воды осуществляется по принципу, основанному на свойстве индукции электромагнитного поля, создаваемого обмоткой 7, герметично изолированной диэлектрическим материалом и расположенной внутри индуктора 6. При необходимости в верхней части устройства может быть установлен кран Маевского, который обеспечит удаление воздуха из устройства на начальной стадии его работы.
Поток нагреваемой жидкости через входной патрубок 8 днища 3 и прорези (отверстия) кольца 12 поступает в первый кольцевой канал устройства, образованный поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью первого цилиндра 10. В канале жидкость движется в направлении снизу вверх, при этом пересекая силовые линии электромагнитного поля, она нагревается.
В верхней части устройства поток жидкости через прорези кольца 14, циркулируя в направлении сверху вниз, поступает во второй кольцевой канал, образованный внутренней поверхностью первого цилиндра 10 и наружной поверхностью индуктора 6, и нагревается.
Далее поток жидкости через прорези кольца 4 и в направлении снизу вверх поступает в третий кольцевой канал, образованный внутренней поверхностью индуктора 6 и наружной поверхностью второго цилиндра 11, и нагревается.
Из третьего канала жидкость через прорези кольца 14 и в направлении сверху вниз поступает в четвертый канала, образованный внутренней поверхностью второго цилиндра 11 и наружной поверхностью центрального цилиндрического канала 5, и нагревается.
Поток нагретой жидкости из четвертого кольцевого канала через прорези кольца 13 и в направлении снизу вверх поступает в полость центрального цилиндрического канала 5 и далее через выходной патрубок 9 поступает к потребителю.
Входной и выходной патрубки 8 и 9 смонтированы в устройстве вдоль одной оси, что позволяет расширить условия потребительского спроса, например, использовать его в любом положении (вертикально, наклонно, горизонтально) и одновременно позволяет упростить производственные вопросы подключения устройства к потребителю. Высота устройства зависит от его коэффициента мощности: чем выше этот показатель, тем выше высота устройства.
По сравнению с известным устройством (прототипом) предлагаемое обеспечивает повышение коэффициента полезного преобразования электроэнергии в тепловую энергию, повышение коэффициента мощности, и позволяет сократить потери тепла, расходуемые на нагрев окружающей среды; в рабочем режиме наружная сторона корпуса холодная.
Заявленное устройство также позволяет увеличить показатель скорости нагрева жидких сред за счет расширения поверхности контактного нагрева; пятиканальный теплосъем обеспечивает оптимальный нагрев и, как показала практика, даже при больших объемах нагреваемых сред.
Быстрому и стабильному нагреву способствуют и материалы, используемые для элементов устройства, в частности, использование тонколистовой ферромагнитной стали (с высоким содержанием железа) со специальным антикоррозионным покрытием, для теплосъема с обмотки 7 применяют теплопроводимые силиконы, двухкомпонентные герметики, трансформаторное масло. Катушку индуктора, после намотки ее, пропитывают специальным лаком, а между витками используют прокладки из стеклолакоткани, с целью защиты межвиткового замыкания.
Заявленное устройство не оказывает негативного воздействия на человека, оно реализовано в промышленном масштабе, где показало полное соответствие решаемой задаче и достигаемым результатам.