ВИХРЕВОЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ И УСТРОЙСТВО ОБОГРЕВА ДЛЯ ПОМЕЩЕНИЯ
VORTEX INDUCTION HEATER AND HEATING DEVICE FOR PREMISES

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах отопления и водоснабжения. В частности, может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для животноводческих помещений, производственных мастерских, предприятий по переработке жидких пищевых продуктов, в сфере обслуживания, быту.
Известен индукционный нагреватель жидкости (Яровиков И.П. Расчет индукционных нагревателей для животноводческих помещений // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №4, 1983) для обогрева полов и воздуха в помещениях, корпус которого содержит стальные водогазопроводные трубы, внутри которых укладывается многожильная обмотка из изолированного провода. Принцип работы нагревателя заключается в том, что при протекании переменного тока и за счет созданного им переменного магнитного поля происходит нагрев материала трубы вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи.
Известен проточной нагреватель жидкости (US №3414698, 03.12.1968), представляющий собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Вода, проходящая по змеевику, нагревается. Недостатком известных устройств являются большая удельная металлоемкость (до 10 и более кг/кВт), значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла.
Наиболее близким к заявленному объекту является устройство для индукционного нагрева жидкости в трубопроводе, включающее последовательно соединенные регулятор переменного тока, индукционный нагреватель, содержащий по меньшей мере одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, имеющую связанные с трубопроводом входной и выходной патрубки, в индукционном нагревателе по меньшей мере одна индукционная обмотка, заключенная в герметичный цилиндрический корпус с электротеплоизоляционными прокладками, размещена внутри цилиндрической магнитопроводной емкости, внутри емкости закреплены также по меньшей мере один цилиндрический и один круговой распределители потока нагреваемой жидкости, расположенные соответственно вдоль продольной и поперечной осей магнитопроводной цилиндрической емкости, снаружи индукционный нагреватель заключен в магнитопроводный экран, а затем - в теплоизоляционный кожух, причем указанные магнитопроводная емкость, корпус внутренней индукционной обмотки и распределители потока нагреваемой жидкости изготовлены из тонколистовой ферромагнитной стали (RU №2120703, H05B 6/10, H05B 6/06, опубл. 20.10.1998).
В индукционном нагревателе может быть размещена по меньшей мере еще одна внутренняя индукционная обмотка, каждая обмотка заключена в герметичный цилиндрический корпус и обмотки закреплены в магнитопроводной емкости концентрично одна в другой с зазором между ними.
Недостатком данной конструкции вихревого индукционного нагревателя является недостаточная проработка системы перетекания жидкости по каналам для нагрева, что приводит к большим габаритам установки в целом и к сложности конструкции.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по увеличению пути протекания небольших потоков жидкости по нагреваемой зоне.
Достигаемый при этом технический результат заключается в повышении эффективности нагрева жидкости при упрощении конструкции за счет формирования лабиринтообразного канала для жидкости, охватывающего индукционную катушку.
Указанный технический результат достигается тем, что в вихревом индукционном нагревателе, содержащем магнитопроводную цилиндрической формы емкость с входным патрубком подвода жидкостного или газового теплоносителя и выходным патрубком для отвода этого теплоносителя и индукционную обмотку из медного провода, заключенную в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного материала, внутри указанной емкости к торцевым стенкам прикреплены концентрично расположенные относительно друг друга с одинаковым зазором между собой металлические трубы с образованием лабиринтообразного прохода для указанного теплоносителя в направлении от входного патрубка к выходному патрубку, а индукционная обмотка размещена внутри указанных труб.
Указанный технический результат так же достигается тем, что в устройстве обогрева для помещения, содержащем вихревой индукционный нагреватель, выполненный из магнитопроводной цилиндрической формы емкости с входным патрубком подвода жидкостного или газового теплоносителя и выходным патрубком для отвода этого теплоносителя и индукционной обмотки из медного провода, заключенной в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного материала, внутри указанной емкости к торцевым стенкам прикреплены концентрично расположенные относительно друг друга с одинаковым зазором между собой металлические трубы с образованием лабиринтообразного прохода для указанного теплоносителя в направлении от входного патрубка к выходному патрубку, а индукционная обмотка размещена внутри указанных труб, при этом емкость закреплена на раме, к которой прикреплена по типу змеевика оребренная пластинами труба, одним концом присоединенная к входному патрубку емкости, а другим концом - к выходному патрубку этой емкости.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - продольный разрез вихревого индукционного генератора;
фиг.2 - устройство обогрева для помещения.
Вихревой индукционный нагреватель - это электромагнитное устройство для нагрева теплоносителя индукционными токами, которые возбуждаются в металле теплообменника переменным магнитным полем. Конструктивно нагреватель выполнен в виде медной катушки в трубе, что является первичной катушкой из медного провода. Вторичной обмоткой является теплообменное устройство, по которому протекает нагреваемый теплоноситель. Параметры катушки, сердечника и теплообменного устройства рассчитаны таким образом, что обеспечивают работу нагревателя в длительном режиме без перегрева. Генератор предназначен для нагрева жидкости (воздух, вода, масло, антифриз) с исключительно малыми затратами энергоресурсов и максимальным сроком службы нагревателя.
Индукционный генератор (нагреватель) (фиг.1) состоит из магнитопроводной цилиндрической емкости 1, на противоположных концах которой или с одной стороны которой имеются для связи с основным трубопроводом патрубки 2 и 3: входной патрубок 2 внизу или по центру емкости, выходной патрубок 3 - вверху.
Внутри емкости 1 закреплена внутренняя индукционная обмотка 4 из медного провода, заключенная в герметичный тороидальный цилиндрический корпус 5 проложенными внутри и снаружи его электротеплоизоляционными прокладками 6. Если в устройстве имеются две (и более) внутренние индукционные обмотки, то каждая из них заключается в корпус с прокладками, и они механически закрепляются внутри цилиндрической магнитопроводной емкости 1 концентрически одна в другой с зазором между ними или одна над другой также с зазором или одна последовательно за другой (на чертеже не показано). Так же можно вставлять три катушки на три фазы, для более высоких мощностей с целью равномерной нагрузки на сеть (от перекосов фаз).
Емкость 1 состоит из четырех труб 7 разного диаметра, сваренных между собой соосно внутри (с меньшего в больший диаметр) для образования лабиринтного прохода теплоносителя (воздух, вода, масло, антифриз) с одинаковыми расстояниями между трубами. Эти трубы являются металлическими распределителями потока нагреваемого агента. Обмотка 4 помещена внутри труб и залита эпоксидной смолой, что дает высокую защиту от перегревов. Обмотка с внутренним проходом может охватывать одну из труб.
Нагреватель работает за счет электромагнитной индукции. Что собой представляет электромагнитная индукция: это переменное магнитное поле, которое влияет на структуру металла (магнитопровода) и нагревает его до определенной температуры за счет притягивания и отталкивания молекул металла к катушке (примерно за одну секунду 50-60 раз), происходит нагрев свыше 40 градусов по Цельсию, сопротивление катушки уменьшается и потребляемая мощность тоже уменьшается за счет разогретого металла.
В данной конструкции воздействует внешнее магнитное поле и внутреннее от первичной обмотки, что позволяет обходиться без сердечника, что очень облегчает конструкцию нагревателя и увеличивает теплопроизводительность.
Основные факторы в данном изобретении.
1. Не образуется накипь (эффект воронения).
2. Воздействия двух магнитных полей на вторичную обмотку (трубопровод).
3. Нет сердечника (что делает конструкцию легче).
4. Сложная система лабиринта прохода воды с максимальной теплоотдачей.
5. Всегда стабильное КПД 98-99%.
Устройство работает следующим образом.
Устройство для индукционного нагрева жидкости в трубопроводе (в зависимости от применения) устанавливается в систему отопления или систему горячего водоснабжения. Устройство подключается к электросети в 220 В/380 В. Ток поступает на индукционную обмотку, которая вихревыми токами быстро нагревает металл цилиндрической магнитопроводной емкости 1 и корпуса обмотки. От них нагреваются пристеночные слои холодной жидкости и тонкие слои жидкости в зазорах между трубчатыми распределителями потока.
В зависимости от потребляемой тепловой мощности в заявляемое устройство могут быть включены одна или несколько индукционных обмоток и соответственно один или несколько распределителей потока. Индукционная обмотка изготовлена с применением медного провода сечением 3-4 мм, покрытого изоляцией типа ПНСДКТ и ПНСДК с пропиткой нагревостойкими лаками или компаундами. В устройстве применены электротеплоизоляционные прокладки 15 типа "Меканит М-3".
Разработанное устройство по степени защиты в закрытых помещениях соответствует ГОСТу 14254-80, а по способу защиты от поражения электрическим током - классу 0,1 согласно ГОСТу 12.2.007.0-75.
На базе вихревого индукционного генератора можно создать устройство обогрева для помещения (фиг.2), содержащее вихревой индукционный нагреватель, выполненный из магнитопроводной цилиндрической формы емкости 1 с входным патрубком подвода жидкостного или газового теплоносителя и выходным патрубком для отвода этого теплоносителя и индукционной обмотки из медного провода, заключенной в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного материала. Внутри указанной емкости к торцевым стенкам прикреплены концентрично расположенные относительно друг друга с одинаковым зазором между собой металлические трубы с образованием лабиринтообразного прохода для указанного теплоносителя в направлении от входного патрубка к выходному патрубку, а индукционная обмотка размещена внутри указанных труб, при этом емкость закреплена на раме 8 (может быть полой для протекания теплоносителя), к которой прикреплена по типу змеевика оребренная пластинами 9 труба (или трубы), одним концом присоединенная к входному патрубку емкости, а другим концом - к выходному патрубку этой емкости 1. По сути, представленное устройство является автономным модулем по типу отдельной батареи. Может работать в режиме конвективного перемещения теплоносителя, но может включать в конструкцию насос для принудительной перекачки жидкости по замкнутому контуру. Вместо одной трубы можно использовать несколько оребренных пластинами труб, подсоединенные параллельно друг другу и к входному и выходному патрубкам (именно такой пример исполнения показан на фиг.2).
Новая конструкция индукционного нагревателя способствует увеличению коэффициента мощности и КПД устройства за счет устранения электрических потерь. Скорость нагрева увеличивается за счет интенсификации теплопередачи с помощью цилиндрических лабиринторасположенных металлических распределителей потока нагреваемой жидкости, которые делят поток холодной жидкости на узкие слои, значительно быстрее нагревающиеся, чем один широкий поток.
Основные достоинства вихревого индукционного нагревателя состоят в следующем.
1. Высокая защита от поражения электрическим током: второй класс электробезопасности, не требует использования заземления.
2. Незначительное превышение температуры теплообменного устройства над температурой объекта нагрева (не более 20-30°C) исключает возникновение пожароопасных ситуаций.
3. Этому способствует внутренняя терморегуляция устройства: снижение потребляемой мощности с повышением температуры выше критической.
4. Отсутствие высокотемпературных узлов существенно увеличивает срок службы - 100000 часов и более, что определяется степенью старения изоляции обмоточного провода.
5. Только вихревой индукционный нагреватель имеет величину коэффициента мощности выше 0,98.
6. Устройство неприхотливо к виду теплоносителя (воздух, вода, масло, антифриз) и может быть приспособлено к любой форме объекта нагрева.
7. Простота монтажа и обслуживания обеспечивает возможность полной автономности работы и подключения к существующим системам отопления и горячего водоснабжения, а надежность вихревого индукционного нагревателей исключает межсезонные и профилактические ремонты.