Индукционный нагреватель текучих сред
INDUCTION FLUID HEATER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к нагревателям индукционного типа, которые предназначены для нагрева текучих сред.
Из уровня техники известно техническое решение, представляющее собой индукционный нагреватель текучих сред, включающий шихтованный трехфазный сердечник из ферромагнитного материала с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды. Теплообменник состоит из трех камер для нагрева текучей среды, каждая из которых 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 текучей среды, внутри которых установлены стержни с первичной обмоткой, витки которой расположены в горизонтальной плоскости с воздушным зазором с образованием замкнутого контура вокруг соответствующего стержня сердечника, каждая камера имеет патрубки для входа и выхода текучей среды. Заявка на патент РФ № 2006121117, МПК Н05В 6/10, опубл. 10.01.2008.
Известно также техническое решение, выбранное в качестве ближайшего аналога, представляющее собой индукционный нагреватель текучих сред, который включает в себя трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенной на стержнях первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящим из трех камер для нагрева текучей среды, каждая из которых 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 текучей среды, внутри которых установлены стержни с первичной обмоткой. Патент РФ №2371889, МПК Н05В 6/00, опубл. 27.10.2009.
Отличительными признаками заявляемого технического решения является подключение катушек первичной обмотки к высоковольтному источнику переменного тока, выполнение катушек в виде цилиндра с вентиляционным каналом, расположенным вдоль оси цилиндра между слоями обмотки, и стержнями, расположенными в вентиляционном канале, а также наличие двух дополнительных цилиндров внутри каждой камеры теплообменника, и наличие армирования внутреннего цилиндра камеры теплообменника стальным прутком.
Недостатками известных устройств является их ненадежность, а также относительно небольшая мощность. Этот недостаток можно компенсировать увеличением числа установок, что приведет к необходимости увеличения размеров помещения для их размещения.
Технический результат заявляемого технического решения проявляется в повышении надежности заявленного устройства, а также в повышении эффективности индукционного нагревателя текучих сред.
Надежность индукционного нагревателя текучих сред проявляется, в частности, за счет сохранения его работоспособности, увеличения жесткости.
Эффективность индукционного нагревателя текучих сред проявляется, в частности, за счет увеличения его коэффициента мощности.
Технический результат достигается тем, что в индукционном нагревателе текучих сред, включающем трехфазный трансформатор с ферромагнитным сердечником, с расположенными на стержнях сердечника катушками первичной обмотки, и вторичной электропроводящей обмоткой, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, состоящим из трех камер для нагрева текучей среды, каждая из которых выполнена из внешнего и внутреннего полых цилиндров разного диаметра, установленных концентрично один в другом, соединенных вверху и внизу торцевыми заглушками с образованием герметичной пустотелой камеры для нагрева в ней текучей среды, при этом каждая из указанных камер охватывает стержень сердечника с катушкой первичной обмотки, и содержит патрубки для входа и выхода текучей среды, катушки первичной обмотки подключены к высоковольтному источнику переменного тока, выполнены в виде цилиндра с вентиляционными каналами, расположенными вдоль оси цилиндра между слоями обмотки, и стержнями, расположенными внутри вентиляционного канала. Предпочтительно, катушки выполнены из провода, который со всех сторон окружен стеклотекстолитом. Стержни, предпочтительно, выполнены из текстолита. Индукционный нагреватель текучих сред, предпочтительно, содержит раму, в которой ферромагнитный сердечник, катушки первичной обмотки и вторичная обмотка установлены с воздушным зазором. Камера для нагрева текучей среды может содержать два дополнительных цилиндра, установленных концентрично между внешним и внутренним цилиндрами. С внутренней стороны внутреннего цилиндра камеры для нагрева текучей среды может быть выполнено армирование, предпочтительно, в виде прутка.
Выполнение катушек в виде цилиндра с вентиляционными каналами, расположенными вдоль оси цилиндра между слоями обмотки позволяет осуществлять обдув всех слоев, что является необходимой мерой сохранения работоспособности нагревателя, так как, катушки, в процессе работы, могут сильно нагреваться и выходить из строя.
Стержни, расположенные в вентиляционном канале, необходимы для разделения слоев обмотки и образования вентиляционного канала, а также фиксации слоев обмотки.
Три пустотелые герметичные цилиндрические камеры, образующие замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, оснащенные патрубками для входа и выхода текущей среды, позволяют обеспечить равномерно естественную циркуляцию нагреваемой среды и высокий КПД индукционного нагревателя.
Катушки, предпочтительно, выполнены из провода, который со всех сторон окружен стеклотекстолитом, который является электроизоляционным материалом и хорошим диэлектриком. Кроме того, стеклотекстолит не токсичен, не взрывоопасен, имеет малый удельный вес. В конструкции нагревателя допускается его замена на другие электроизоляционные материалы, которые имеют аналогичные технические характеристики.
Рама, в которой ферромагнитный сердечник, катушки первичной обмотки и вторичная обмотка установлены с воздушным зазором, обеспечивает правильный нагрев теплообменников при формировании индукционного поля катушкой и ферромагнитным сердечником.
Камера для нагрева текучей среды может содержать два дополнительных цилиндра, установленных концентрично между внешним и внутренним цилиндром, улучшающих теплоотдачу.
Армирование внутреннего цилиндра теплообменника предназначено для придания ему жесткости, а также участвует в улучшении теплоотдачи. Предпочтительно, армирование выполнено в виде прутка.
Предусмотрены несколько вариантов исполнения индукционного нагревателя текучих сред, при этом, каждый из которых позволяет достичь высоких показателей работоспособности нагревателя.
Предпочтительно, патрубок подачи текучей среды в камеру установлен внизу каждой камеры, патрубок выхода текучей среды установлен вверху каждой камеры.
По первому варианту исполнения, камеры для нагрева текучей среды могут быть соединены между собой таким образом, что трубопровод подачи текучей среды в камеры для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, два патрубка для входа текучей среды соответственно в первую и вторую камеры либо в третью и вторую камеры для нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, конец трубопровода подачи текучей среды присоединен непосредственно к третьей камере либо к первой камере соответственно для нагрева по ходу подачи текучей среды, трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя, конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой или третьей камере для нагрева, два другие патрубка для выхода текучей среды из камер нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу.
По второму варианту исполнения, камеры для нагрева текучей среды могут быть не соединены между собой, предпочтительно, таким образом, что патрубок подачи текучей среды в камеры установлен внизу каждой камеры, патрубок выхода текучей среды установлен вверху каждой камеры.
По третьему варианту исполнения, камеры для нагрева текучей среды могут быть соединены между собой таким образом, что патрубок для входа текучей среды в теплообменник установлен в нижней части первой камеры, патрубок выхода текучей среды из первой камеры соединен трубопроводом к патрубку входа второй камеры, патрубок выхода из второй камеры соединен трубопроводом с патрубком подачи третьей камеры, патрубок выхода из третьей камеры установлен в верхней части третьей камеры.
Заявляемое техническое решение далее поясняется с помощью фигур, на которых условно представлен один из возможных вариантов исполнения индукционного нагревателя текущих сред.
На фиг. 1 представлена фронтальная проекция с местным разрезом индукционного нагревателя текущих сред по первому варианту исполнения.
На фиг. 2 представлена фронтальная проекция с местным разрезом индукционного нагревателя текущих сред по второму варианту исполнения.
На фиг. 3 представлена фронтальная проекция с местным разрезом индукционного нагревателя текущих сред по третьему варианту исполнения.
На фиг. 4 представлен вид сверху индукционного нагревателя текущих сред.
На фиг. 5 представлен вид стержня ферромагнитного сердечника индукционного нагревателя текущих сред с первичной и вторичной обмоткой в разрезе с патрубками входа и выхода, направленными в одну сторону.
На фиг. 6 представлен вид стержня ферромагнитного сердечника индукционного нагревателя текущих сред с первичной и вторичной обмоткой в разрезе с патрубками входа и выхода, направленными в разные стороны.
На фиг. 7 представлен вид расположения витков катушек в горизонтальной плоскости.
На фиг. 8 представлен вид расположения витков катушек в вертикальной плоскости.
На фиг. 9 представлен ферромагнитный сердечник вместе с катушками и теплообменником в сборе.
На фиг. 10 представлена камера теплообменника в разрезе с указанием дополнительных цилиндров и армирования из прутка.
На фиг. 11 представлен общий вид индукционного нагревателя с рамой, решеткой и вспомогательным оборудованием.
На фиг. 1-11 изображены:
1 - стержни сердечника;
2 - первичная обмотка катушек;
3, 4, 5 - камеры вторичной обмотки катушек;
6 - изоляция первичной обмотки;
7 - цилиндр камеры 3, 4 или 5, большего диаметра;
8 - цилиндр камеры 3, 4 или 5, меньшего диаметра;
10 - патрубки подачи текучей среды;
11 - патрубки выхода текущей среды;
12 - армирование из прутка;
13 - малый дополнительный цилиндр;
14 - большой дополнительный цилиндр;
15 - основание рамы;
16 - клетка ограждающая;
17 - канальный вентилятор;
18 - воздуховод;
19 - решетки вентиляционные;
20 - листы обшивки.
Далее, со ссылками на фигуры описана конструкция индукционного нагревателя текущих сред.
Предлагаемый высоковольтный индукционный нагреватель текучих сред содержит сердечник из ферромагнитного материала с тремя стержнями 1, на которых намотаны катушки первичной обмотки 2. Каждая катушка представляет собой намотку из провода определенного сечения в определенное количество витков. Для того чтобы достичь необходимой мощности нагревателя, необходимо при помощи расчетов подобрать правильное сечение провода, диаметр и количество витков. Катушки соединены к высоковольтной линии переменного тока. Вторичная обмотка представляет собой теплообменник, который выполнен в виде трех герметичных пустотелых цилиндрических камер, первой - 3, второй - 4, третьей - 5, для нагрева в них текучей среды, установленных вокруг соответствующего стержня сердечника 1, соединенных вверху и внизу торцевыми заглушками. Диаметры цилиндров, их высота и толщина стенок подбираются при помощи расчетов. Между внешней поверхностью стенки камер 3, 4 или 5 теплообменника и наружной поверхностью первичной обмотки 2 имеется воздушный зазор. На первичной обмотке 2 выполнена корпусная изоляция 6. Герметичные цилиндрические камеры 3, 4, 5 имеют одинаковые размеры, при этом каждая камера выполнена из двух цилиндров 7 и 8 разного диаметра - большего и меньшего, соответственно.
Катушки выполнены с вентиляционными каналами, расположенными вдоль оси цилиндра между слоями обмотки и стержнями, расположенными между вентиляционными каналами. Обдув осуществляется посредством вентиляторов 17.
Провод катушки окружен со всех сторон стеклотекстолитом, стержни, входящие в состав катушки и располагаемые в вентиляционном канале, выполнены из текстолита.
В предпочтительном варианте, индукционный нагреватель текучих сред содержит раму, в которой ферромагнитный сердечник, катушки первичной обмотки 2 и вторичная обмотка установлены с воздушным зазором. Рама может представлять собой основание 15 из профильной трубы 100×50 прямоугольной формы, на которую устанавливается индукционный нагреватель. Основание служит для обеспечения устойчивости индукционного нагревателя, а также для расположения на нем вспомогательного оборудования (вентиляторов 17, воздуховодов 18) и ограждающей клетки 16. Предпочтительно, по периметру, к основанию крепится ограждающая клетка 16 из профильной трубы 40×20 для защиты индукционного нагревателя со всех сторон.Предпочтительно, клетка снаружи зашита листами 20 с установленными вентиляционными решетками 19, при этом, внутри клетки установлены канальные вентиляторы 17, которые берут воздух снаружи клетки и при помощи специальных воздуховодов 18 обеспечивают обдув катушек индукционного нагревателя. Горячий воздух выходит из клетки через вентиляционные решетки 19. Ограждающая клетка несет собой защитную функцию как для самого нагревателя, так и для обслуживающего персонала. К преимуществам данной конструкции можно отнести: безопасность для обслуживающего персонала, постоянная автономная вентиляция индукционного нагревателя в независимости от вентиляции помещения, защита нагревателя от внешних факторов.
Предпочтительно, камера 3, 4 и/или 5 для нагрева текучей среды содержит дополнительные цилиндры 13, 14, установленные концентрично между внешним и внутренним цилиндром 7 и 8, соответственно, и закрепленный к одному из них.
Предпочтительно, с внутренней стороны внутреннего цилиндра 8 камеры 3, 4 и/или 5 для нагрева текучей среды выполнено армирование 12, например, в виде прутка.
Камеры 3, 4, 5 установлены параллельно друг другу и концентрично стержням 1 с первичной обмоткой 2. Высоковольтный индукционный нагреватель текучих сред имеет патрубки 10 подачи текучей среды в камеры 3, 4, 5 для нагрева, которые установлены внизу каждых камер, патрубки 11 выхода текучей среды установлены вверху каждой камеры 3, 4, 5. Патрубки 10 установлены в нижней цилиндрической части камер 3, 4, 5, касаясь нижних торцевых заглушек 9 (Фиг. 6). Патрубки 11 установлены в верхней цилиндрической части камер 3, 4, 5, касаясь верхних торцевых заглушек 9 (Фиг. 6).
Патрубки 10, 11 подачи и выхода текучей среды в камеры могут смотреть в одну сторону (Фиг. 5), или в разные стороны (Фиг. 6), что влияет на изменение скорости нагрева теплоносителя.
Стержни 1 могут быть установлены так, что витки катушек первичной обмотки 2 расположены в горизонтальной плоскости с воздушным зазором для охлаждения (Фиг. 7), или так, что витки катушек первичной обмотки 2 расположены в вертикальной плоскости с воздушным зазором для охлаждения (Фиг. 8). Иными словами, расположение витков катушки зависит от положения стержней ферромагнитного сердечника.
Предусмотрены три варианта конструкций индукционного нагревателя, отличающихся принципом взаимодействия камер 3, 4, 5 друг с другом.
1 вариант: Трубопровод подачи текучей среды в камеры 3, 4, 5 для нагрева установлен внизу индукционного нагревателя, при этом, два патрубка 10 для входа текучей среды, соответственно, в первую и вторую камеры, 3 и 4, либо в третью и вторую камеры, 5 и 4, присоединены параллельно друг другу к трубопроводу, а конец трубопровода подачи текучей среды присоединен непосредственно к третьей камере 5 либо к первой камере 3, соответственно, по ходу подачи текучей среды. Трубопровод выхода текучей среды установлен вверху индукционного нагревателя. Конец трубопровода выхода текучей среды присоединен к первой или третьей камере для нагрева, 3 или 5, два другие патрубка 11 для выхода текучей среды из камер, 4, 3 или 5, нагрева присоединены параллельно друг другу к трубопроводу (Фиг. 1).
2 вариант: Патрубок 10 подачи текучей среды в камеры 3, 4, 5 установлен внизу каждой камеры 3, 4, 5. Патрубок 11 выхода текучей среды установлен вверху каждой камеры 3, 4, 5. Теплоноситель попадает через нижний патрубки 10 в камеры 3, 4, 5 теплообменника, нагревается за счет внутренних стенок камер 3, 4, 5, и выходит через верхние патрубки 11 камер 3, 4, 5. Три камеры 3, 4, 5 высоковольтного индукционного нагревателя не соединены между собой и работают автономно (Фиг. 2).
3 вариант: Патрубок 10 для входа текучей среды в теплообменник установлен в нижней части первой камеры 3. Патрубок 11 выхода текучей среды из первой камеры 3 соединен трубопроводом к патрубку 10 входа второй камеры 4. Патрубок 11 выхода из второй камеры 4 соединен трубопроводом с патрубком 10 подачи третьей камеры 5. Патрубок 11 выхода из третьей камеры 5 выводит текучую среду из теплообменника (Фиг. 3).
Заявляемый высоковольтный индукционный нагреватель текучих сред работает следующим образом.
После заполнения камер 3, 4, 5 нагреваемой текучей средой с помощью патрубков 10, первичная обмотка 2 подключается к высоковольтной линии переменного тока с помощью электромагнитного пускателя и задается необходимая температура нагрева с помощью блока-терморегулятора.
Если приложить переменное напряжение к концам первичной обмотки, т.е. катушке 2, то под действием этого напряжения через обмотку будет протекать переменный ток, создавая в окружающем катушку пространстве переменный магнитный поток. Этот магнитный поток будет пронизывать вторичную обмотку, т.е. камеру теплообменника 3, 4, 5.  В результате этого происходит нагрев цилиндров 7 и 8 и дополнительных цилиндров внутри камер. Тепло от нагретых поверхностей цилиндров 7 и 8 передается текучей среде, поступающей в три герметичные камеры 3, 4, 5 через патрубки 10 и вытекающей через патрубки 11.
Заявленный индукционный нагреватель текущих сред может быть использован для нужд крупных промышленных объектов, в том числе заводов, шахт, рудников, для теплоснабжения целых населённых пунктов, жилых микрорайонов, поселков, а также для технологических процессов, которые требуют большой тепловой нагрузки.
Представленные фигуры, описание конструкции и использования не исчерпывают возможные варианты исполнения и не ограничивают каким-либо образом объем заявляемого технического решения. Возможны иные варианты исполнения и использования в объеме заявляемой формулы. В зависимости от назначения, индукционный нагреватель текущих сред может быть изготовлен из разных размеров, цветов и конфигураций.