ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТЕЙ
INDUCTION LIQUID HEATER

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах отопления, горячего водоснабжения, в технологических процессах подогрева жидкостей, где требуется обеспечить малый градиент температур между нагревателем и нагреваемой жидкостью в проточном режиме или в накопительной емкости.
По уровню техники известны изобретения и полезные модели подобного устройства и назначения.
Патент США №US 2010/0213190 от 26.08.2010 «Проточный индукционный нагреватель» для нагрева жидкостей, включающий индукционную катушку, размещенную в камере с ферримагнитными стенками, вдоль которых проходят каналы для движения жидкости. Нагрев жидкости происходит от ферримагнитных стенок камеры индуктора. Устройство не требует дополнительного электромагнитного экранирования.
Конструкция камеры индуктора и каналов для движения жидкости выполнена из тонкостенных ферромагнитных труб собранных коаксиально на общей крышке равной толщины с трубами. Для подачи и отвода воды имеются входные боковые и центральный выходной патрубки. Устройство допускает возможность работы в широком диапазоне частот от 50-400 кГц. Для повышения эффективности нагрева предлагается в каналах для движения жидкости устроить плоские ребра в форме спирали которые увеличивают время и путь движения жидкости вдоль внешней нагревающей ферримагнитной стенки камеры индуктора.
Недостатком устройства является малая толщина стенок камеры и крышки индуктора, что приводит к искажению формы электромагнитного поля и, как следствие, снижению коэффициента мощности (cos ϕ), а применение однотипной конструкции по диапазону частот с 8-кратным перекрытием диапазона увеличит потери и в целом приведет к низкому коэффициенту полезного действия.
Патент на изобретение RU №2400944 С1, опубликовано 27.09.2010 «Вихревой индукционный нагреватель и устройство обогрева для помещений» для использования в системах отопления и водоснабжения. Содержит ферромагнитную емкость цилиндрической формы. К торцевым стенкам цилиндрической емкости с противоположных сторон прикреплены концентрически две металлические трубы с образованием лабиринтного выхода для нагреваемой жидкости. Имеет индукционную обмотку из медного провода, заключенную в герметичный тороидальный цилиндрический корпус из изоляционного немагнитного материала, расположенную в центре и коаксиально с трубами. Подача жидкости в емкость осуществляется по трубе через центр цилиндрического корпуса обмотки.
Устройство имеет ряд недостатков реально снижающих заявленные показатели эффективности: наличие индукционной обмотки в оболочке только из изоляционного материала значительно затрудняет обеспечение электробезопасности и герметичности конструкции; лабиринтная схема движения жидкости удлиняет путь, но по приведенной схеме электрическое сопротивление индуктируемому току возрастает и следовательно снижается величина тока, что снижает количество генерируемого тепла; все элементы устройства имеют одинаковую толщину и сложную конфигурацию, что усложняет систему формирования структуры электромагнитного поля, а следовательно и выбор оптимальных параметров по заявленным показателям эффективности.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является патент на полезную модель «Индукционный нагреватель жидких сред» RU №93597 U1, опубликовано 27.04.2010, который состоит из корпуса с входными и выходными патрубками, верхней и нижней крышек и индукционной катушки, отличающийся тем, что индукционный нагреватель жидких сред снабжен стаканом с двойными стенками и кольцевым дном, установленном в корпусе, при этом индукционная катушка размещена в герметичном пространстве между стенками стакана. Дополнительно указывается что свободное пространство между внутренней поверхностью стакана заполнено диэлектрическим теплопроводящим материалом, а количество катушек в стакане может быть от 1 до 6, толщина стенок стакана выполнена одной толщины, и определяется по приведенной в описании формуле.
При более простой конструкции, чем предыдущие аналоги, в данной конструкции имеются также недостатки, которые снижают показатели эффективности по металлоемкости, коэффициенту мощности и эффективности преобразования электрической энергии в тепловую. К ним относятся:
- стакан с верхней и нижней крышками, куда помещается индукционная катушка представляет собой полый цилиндрический тороид на внутренней поверхности которого с помощью индукционной катушки формируется электромагнитное поле. Глубина проникновения магнитного поля в материал зависит от скорости изменения (частоты), плотности магнитного потока и магнитной проницаемости материала и, как следствие, формы и величины напряженности магнитного поля. Образующееся вместе с магнитным полем электрическое поле создает электрический ток, который в соответствии с законом Джоуля-Ленца вызывает нагревание проводника - внутреннюю стенку стакана на глубину проникновения электромагнитного поля. Однако площадь поверхности внешней стороны стакана больше, чем поверхность внутренней стенки стакана и поэтому плотность тока и удельная проводимость будет различна. Этот фактор не учтен в данной конструкции вследствие чего применение для стенок стакана труб одинаковой толщины увеличивает расход металла, утяжеляет конструкцию и снижает коэффициент мощности;
- скорость движения жидкости вдоль внутренней стенки стакана выше, чем вдоль внешней стороны, в результате чего коэффициент теплопередачи на протоке будет недостаточен для полного съема тепла и уменьшения градиента температуры между нагревателем и нагреваемой жидкостью, что имеет важное значение для снижения образования накипи и при нагреве горючих жидкостей;
- применение на общем сердечнике от 1 до 6 катушек увеличивает габариты по длине конструкции и возрастает магнитное сопротивление потоку создаваемой каждой катушкой, что приводит к уменьшению коэффициента мощности;
- при необходимости последовательного соединения нагревателей, например, для получения большей мощности и питания от источника трехфазного тока, необходимо использовать внешние соединительные элементы так как входные и выходные патрубки расположены несимметрично и не стыкуются напрямую друг с другом;
- вертикальное расположение нагревателя нижним подводом и боковым отводом жидкости требует применения дополнительных мер для отвода воздуха и продуктов парообразования при нагреве жидкости.
Предлагаемое изобретение по совокупности существенных признаков отличается от аналогов тем, что внешний корпус нагревателя выполнен в формы трубы квадратного сечения, толщина внешней стенки цилиндрического корпуса, внутри которого размещена индукционная катушка, меньше толщины внутренней стенки корпуса нагревателя установлена разделительная пластина, создающая лабиринтную форму движения жидкости, что увеличивает скорость потока и повышает турбулентность течения жидкости.
Для увеличения мощности нагревателя корпуса нагревателя выполненных из трубы квадратного сечения с установленных внутри корпусов разделительными пластинами, создающими лабиринтную форму движения жидкости, с корпусами индукционных катушек имеющих стенки различной толщины, жестко соединяются между собой.
При горизонтальном расположении нагревателей обеспечивается естественный отвод воздуха и продуктов парообразования по направлению потока жидкости.
Предложенное изобретение направленно на решение технической задачи создания конструкции обладающей свойствами, которые можно охарактеризовать следующими техническими результатами:
- меньшей металлоемкостью за счет выбора оптимальной толщины стенок корпуса индукционной катушки;
- повышением турбулентности движения жидкости вдоль нагретых поверхностей цилиндрического корпуса индукционной катушки, путем устройства лабиринтного прохода жидкости через разделительную пластину, турбулентное течение жидкости создает лучшие условия для теплопередачи, повышает коэффициент полезного действия и снижает градиент температуры между нагретой поверхностью и нагреваемой жидкостью, уменьшает выпадение накипи и позволяет нагревать горючие жидкости;
- конструкция нагревателя с корпусами из труб квадратного сечения, с корпусами индукционных катушек, имеющих стенки различной толщины, с установленными внутри корпусов разделительными пластинами жестко соединяются между собой, что позволяет получить высокие удельные показатели по энергоэфективности на единицу объема нагревателя.
Указанные частные технические решения взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков для получения необходимого технического результата - компактного устройства, обеспечивающего эффективное нагревание жидкости в заявленных областях применения, с высоким КПД и коэффициентом мощности, меньшей металлоемкостью и лучшей ремонтопригодностью.
Предложенное техническое решение поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 показан общий вид индукционного нагревателя жидкости, виды сбоку и спереди;
на фиг. 2 показан индукционный нагреватель жидкости в корпусе квадратного сечения в разрезе;
на фиг. 3 показан индукционный нагреватель жидкости с тремя корпусами из труб квадратного сечения в разрезе;
на фиг. 4 показан внешний вид индукционного нагревателя с шестью корпусами из труб квадратного сечения.
Индукционный нагреватель, представленный в общем виде на фиг. 1 включает цилиндрический корпус квадратного сечения 15, входной 3 и выходной 2 патрубки для приема и подачи нагреваемой жидкости, щит 4 для подключения напряжения переменного электрического тока к индукционной катушке и управления процессом нагревания жидкости по заданным параметрам температуры и давления, крышкой 6, переднею и заднею опоры 5.
Индукционный нагревателя в разрезе представленный на фиг 2 состоит из крышки 7, индукционной катушки с обмоткой из изолированных проводов 8, внешней 9 и внутренней 10 стенки ферримагнитного цилиндрического корпуса индукционной катушки, крепежного болта 11, технологических трубок для вывода концов обмотки и установки электрического щита управления 12, уплотнительного кольца 13, разделительной пластины 14 проходящей вдоль внешней и внутренней сторонам цилиндрического корпуса индукционной катушки 8. Крышка 7 индукционной катушки выполнена с пазами по форме торца цилиндрического корпуса индукционной катушки. В поперечном разрезе АА представленном на фиг 2, указан цилиндрический корпус квадратного сечения 15, входной патрубок 3, выходной патрубок 2. разделительная пластина 14, внутренняя утолщенная стенка цилиндрического корпуса индукционной катушки 10, внешняя стенка цилиндрического корпуса для индукционной катушки (9) и индукционная катушка 8.
Индукционный нагреватель жидкостей, представленный на фиг. 3 в разрезе, состоит из трех корпусов выполненных из труб квадратного сечения жестко закрепленных в плоскости стенок между собой в вертикальную стойку с устройством между корпусами проточных, герметично сваренными по контуру отверстий 16 и образования таким образом общего контура движения нагреваемой жидкости между входным патрубком 3 нижнего корпуса и выходным патрубком (2) верхнего корпуса. На все три корпуса устанавливается навесной 4 электрический щит. В вариантном исполнении может использоваться выносной щит.
На фиг. 4 показан общий вид индукционного нагревателя жидкости, состоящий из шести последовательно соединенных в плоскости стенок корпусов нагревателей, квадратного сечения 15, входной 3 и выходной 2 патрубки, электрический щит 4 и изолированные панели для монтажа электрических соединений 17.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Как показано на фиг. 2 поступающая жидкость через входной патрубок 3 подается во внутреннюю полость корпуса нагревателя и обратным потоком вдоль внутренней и внешней стенок цилиндрического корпуса индукционной катушки через разделительную пластину 14 выходит в выходной патрубок 2. При объединении трех корпусов нагревателей фиг. 3 жидкость по каналам образованных разделительными пластинами 14 вдоль стенок корпусов индукционных катушек через проточные отверстия 16 проходит все три корпуса нагревателей и выходит через выходной патрубок 2.
Нагревание жидкости происходит от ферримагнитных стенок (9, 10) цилиндрического корпуса индукционной катушки нагревателя, разогретых электрическим током индуктируемым обмоткой индукционной катушки. Частота электрического тока 50/60 Гц. Напряжение 220/380 В.
Для увеличения эффективности теплопередачи устанавливается разделительные пластины, создающие лабиринтный проход. За счет уменьшения таким образом вдвое площади поперечного сечения для прохода жидкости и попеременного изменения направления движения жидкости создается повышенная турбулентность, способствующая улучшению теплообмена между нагретыми стенками и нагреваемой жидкостью. Вертикальное движение потока жидкости позволяет устранить воздушные и паровые пробки и легко и быстро слить жидкость при профилактических работах и в аварийных ситуациях.
Применение стенок корпуса индукционной катушки с толщиной пропорциональной плотности магнитного потока, позволяет обеспечить оптимальную глубину проникновения переменного магнитного поля в ферримагнитный материал стенок и уменьшить массу металла. Такое построение конструкции не приводит к искажению синусоидальной формы электрического тока, а следовательно обеспечивается высокий коэффициент мощности и увеличивается таким образом активная составляющая тока, что в свою очередь в соответствии с законом Джоуля-Ленца увеличивает количество выделяемого в ферримагнитных стенках тепла пропорционально квадратной степени силы электрического тока. Также для снижения магнитного сопротивления в корпусе индукционной катушки верхняя съемная крышка 7 выполнена с проточкой пазов, чтобы обеспечить максимально точный и полный контакт с торцевыми поверхностями внутренней 10 и внешней 9 стенок корпуса индукционной катушки.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет применить не только наиболее простые технологические схемы массового производства, но и получить при этом лучшие результаты по эффективности действия по показателям надежности, долговечности, ремонтопригодности, коэффициентам мощности и полезного действия.
Предложенное изобретение было реализовано и испытано на практике с использованием стандартного промышленного оборудования. Уплотнительные элементы, средства крепежа, а также прочие вспомогательные элементы, необходимые при сборке предложенного индукционного нагревателя комплектуются в соответствии с разработанными рабочими чертежами устройства.
Проведенные испытания с образцами 5 и 100 кВт мощности, в которых были реализованы особенности конструкции, отличающие изобретение от аналогов, показали результаты с КПД 92-97 процентов.