проточный подогреватель жидкости индукционного типа (варианты)

Формула изобретения

1. Проточный подогреватель жидкости индукционного типа, содержащий многостержневой ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной фазной обмоткой, являющейся электропроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, отличающийся тем, что вторичная фазная обмотка соединена последовательно в замкнутый контур, выполненный непрерывной трубкой, витки вторичной обмотки, являющиеся непрерывными частями трубки, образуют последовательно соединенные вторичные фазы, одна из которых включена встречно другим и расположена несимметрично к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой.

2. Проточный подогреватель жидкости индукционного типа, содержащий многостержневой ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стрежнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной фазной обмоткой, являющейся электропроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, отличающийся тем, что вторичная фазная обмотка соединена последовательно в замкнутый контур, выполненный непрерывной трубкой, состоит из трех ветвей, в каждой из которых фазы соединены последовательно, а одна из них соединена встречно другим и расположена несимметрично к магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой, причем в каждой ветви встречно включаемые фазы вторичных обмоток чередуются.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к электротехнике и могут быть использованы для нагрева жидкостей в потоке, например масла.

Кроме того, проточные подогреватели жидкости могут быть использованы для светлого непрерывного отжига металла.

Известно электроводонагревательное устройство трансформаторного типа, содержащее пространственный магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой и короткозамкнутую вторичную обмотку, выполненную из прямых трубок, размещенных между стержнями магнитопровода с первичной обмоткой и соединенных на концах дисками (см. патент РФ № 2101882, М.кл. 6 Н 05 В 6/10, опубл. 10.01.98 г., "Электронагревательное устройство трансформаторного типа"). Вторичная обмотка совместно с корпусной оболочкой создает герметичную камеру, внутри которой размещен магнитопровод с первичной обмоткой.

В известном электроводонагревательном устройстве вторичная обмотка, выполненная из прямых трубок, размещенных между стержнями магнитопровода, расположена симметрично по отношению к магнитопроводу с трехфазной первичной обмоткой и к трехфазной системе магнитных потоков.

Недостатком известного электроводонагревательного устройства трансформаторного типа является малая удельная теплопередающая поверхность вторичной обмотки. Данный недостаток объясняется ее конструктивным выполнением и симметричным расположением по отношению к магнитопроводу и трехфазной первичной обмотке, при котором отсутствуют условия протекания в ней токов высших гармоник.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемым техническим решениям является выбранный в качестве прототипа проточный подогреватель жидкости индукционного типа, содержащий многостержневой ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся электропроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости (см. патент РФ № 2074529, МПК 6 Н 05 В Е 21 В 17/10, опубл. 27.02.1997 г., “Индукционный нагреватель жидкости”).

Известный проточный подогреватель жидкости содержит шихтованный многостержневой (например, трехфазный) ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стержнях сердечника многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети и изолированной от стержней корпусной изоляцией.

Вторичная обмотка трансформатора является теплообменником и выполнена в виде пустотелой камеры с нижним входным и верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости.

Камера имеет сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника.

Для интенсификации индукционного нагрева жидкости в известном нагревателе возможно использование тепловых концентраторов в виде электропроводящих контуров, замкнутых вокруг стенок каждого фазного канала (например, колец). В этих кольцах преобразуется в тепло часть электроэнергии, а их поверхность участвует в непосредственном теплообмене с нагреваемой жидкостью.

Расположение вторичной обмотки, выполненной в виде пустотелой камеры, имеющей вертикальные сквозные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых установлены стержни сердечника, по отношению к трехфазной системе первичной обмотки, к магнитопроводу и, следовательно, к магнитному потоку, является симметричным.

Подобное конструктивное выполнение и симметричное расположение вторичной обмотки по отношению к магнитопроводу трехфазной системы целесообразно с точки зрения снижения теплопередачи от внешней поверхности стенок фазных каналов к первичным обмоткам.

Симметричное расположение вторичной обмотки по отношению к магнитопроводу трехфазной системы и к магнитному потоку первичной обмотки не позволяет наиболее полно преобразовывать энергию, потребляемую из сети, в тепловую энергию и увеличить удельную теплопередающую поверхность при одновременном упрощении конструкции и снижении удельной материалоемкости вторичной обмотки - теплообменника.

Это объясняется сложным конструктивным выполнением вторичной обмотки теплообменника и ее симметричным расположением по отношению к магнитопроводу, не обеспечивающим полноту индуцирования в ней всего спектра токов высших гармоник, создаваемого первичной обмоткой, и увеличение удельной теплопередающей поверхности. Данное конструктивное выполнение не обеспечивает повышения теплового КПД до 95% и не позволяет в достаточной мере интенсифицировать индукционный нагрев жидкости в теплообменнике.

При симметричном расположении вторичной обмотки трехфазной системы нечетные и нулевые составляющие магнитных потоков равны нулю, теплопередающие поверхности, в которых возможно наведение токов от нечетных и нулевых составляющих магнитных потоков, в нагреве не участвуют, так как токи в них не протекают.

Кроме того, проточный подогреватель жидкости индукционного типа содержит несколько отдельно расположенных сквозных вертикальных каналов, между которыми образуются застойные зоны, в которых возможен локальный перегрев нагреваемой среды.

Для ликвидации застойных зон и усиления циркуляции нагреваемой жидкости внутри камеры известный нагреватель должен быть оснащен дополнительным насосом.

Из-за сложного конструктивного выполнения нагреватель не достаточно технологичен.

Недостатками известного проточного подогревателя жидкости индукционного типа являются:

- недостаточно интенсивный индукционный нагрев жидкости из-за невозможности полного использования удельной теплопередающей поверхности вторичной обмотки и неполного использования всего спектра токов высших гармоник по всей ее конструкции;

- невысокий тепловой кпд, меньший 95%, по сравнению с предлагаемыми вариантами проточного подогревателя;

- сложность конструктивного и технологического решений;

- повышенные массогабаритные показатели.

Технический результат предлагаемых изобретений состоит в устранении указанных недостатков прототипа, а именно в интенсификации индукционного нагрева жидкости по временным показателям и повышении значения теплового кпд до 95% за счет более полного использования удельной теплопередающей поверхности вторичной обмотки и более полного использования всего спектра токов высших гармоник в конструкции теплообменника, в упрощении конструктивного выполнения и повышении технологичности изготовления.

Технический результат достигается следующими решениями. В проточном подогревателе жидкости индукционного типа по первому варианту, содержащем многостержневой ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся электропроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, согласно изобретению вторичная фазная обмотка соединена последовательно в замкнутый контур, выполненный непрерывной трубкой, витки вторичной обмотки, выполненные в виде участков непрерывной трубки, образуют последовательно соединенные вторичные фазы, по меньшей мере одна из которых включена встречно другим и расположена несимметрично к магнитному потоку, создаваемому в первичной обмотке.

В проточном подогревателе жидкости индукционного типа по второму варианту, содержащем многостержневой ферромагнитный сердечник трансформатора с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся электропроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, согласно изобретению вторичная фазная обмотка выполнена в виде трех параллельных ветвей, в каждой из которых фазы соединены последовательно, а одна из них соединена встречно другим, причем в каждой параллельной ветви встречно включаемые фазы вторичных обмоток чередуются.

В проточном подогревателе жидкости индукционного типа по первому варианту последовательное соединение вторичной фазной обмотки, несимметрично охватывающей первичную обмотку в замкнутый контур, выполненный непрерывной трубкой, обеспечивает возможность индуцирования в непрерывной трубке всего спектра токов высших гармоник, наведенных прямой, обратной и нулевой последовательностями магнитного потока, создаваемого первичными обмотками. Это позволяет более полно использовать удельную теплопередающую поверхность вторичной обмотки и интенсифицировать индукционный нагрев жидкости на всех участках непрерывной трубки теплообменника.

Несимметричная схема дает возможность существовать в замкнутом контуре вторичной обмотки, являющемся электропроводящим теплообменником, несимметричным составляющим магнитных потоков, которые бы не существовали в случае симметричного расположения вторичной обмотки относительно магнитного потока, создаваемого в первичной обмотке.

Витки вторичной обмотки, являющиеся участками непрерывной трубки, образуют последовательно соединенные вторичные фазы. Включение по меньшей мере одной из вторичных фаз встречно другим фазам обеспечивает несимметричность этой фазы к магнитному потоку, создаваемому в первичной обмотке.

Выполнение вторичной фазной обмотки, соединенной последовательно в замкнутый контур в виде непрерывной трубки позволяет упростить конструктивное выполнение подогревателя жидкости, снизить массогабаритные показатели и повысить технологичность его изготовления.

По второму варианту проточный подогреватель жидкости индукционного типа содержит вторичную фазную обмотку, выполненную в виде трех параллельных ветвей, фазы в каждой из которых соединены последовательно.

Одна из фаз соединена встречно другим, что позволяет создавать асимметрию составляющих магнитных потоков. Несимметричная схема соединения одной из фаз дает возможность существовать в замкнутом контуре вторичной обмотки, являющейся электропроводящим теплообменником, несимметричным составляющим магнитных потоков первичной обмотки.

Это позволяет использовать для нагрева жидкости весь спектр токов высших гармоник, наведенных прямой, обратной и нулевой последовательностями магнитного потока, создаваемого первичными обмотками, по всей длине трубки.

Чередование в каждой параллельной ветви встречно включаемых фаз вторичных обмоток создает асимметрию составляющих магнитных потоков во второй и третьей фазах замкнутого контура вторичной обмотки, что позволяет более полно использовать удельную теплопередающую поверхность вторичной обмотки, увеличить долю энергии, идущей на нагрев непрерывной трубки, являющейся вторичной обмоткой, интенсифицировать индукционный нагрев жидкости во всех частях теплообменника, улучшить энергетические показатели заявляемого проточного подогревателя.

Заявляемые технические решения прошли лабораторные испытания, результаты которых выявили возможность более полного использования удельной теплопередающей поверхности вторичной обмотки, повышения теплового кпд до 95% при одновременном упрощении конструкции и технологичности изготовления, снижении массогабаритных показателей.

По мнению авторов, приведенные отличительные признаки заявляемых технических решений проточного подогревателя жидкости индукционного типа удовлетворяют критерию “изобретательский уровень”, поскольку на дату составления заявки идентичные устройства с такими отличительными признаками в доступных источниках научно-технической информации, а также патентной документации не обнаружены и позволяют получить новый, положительный эффект, несвойственный известным проточным подогревателям.

Заявляемые технические решения проточного подогревателя могут быть изготовлены на штатном оборудовании машиностроительных заводов.

Следовательно, предлагаемые технические решения соответствуют критерию “промышленная применимость”.

Сущность предлагаемых технических решений поясняется чертежами.

На фиг.1 показана принципиальная схема проточного подогревателя жидкости индукционного типа по первому варианту заявляемых технических решений.

На фиг.2 показана принципиальная схема проточного подогревателя жидкости индукционного типа по второму варианту выполнения заявляемых технических решений.

Проточный подогреватель жидкости индукционного типа по первому варианту выполнения содержит (см. фиг.1) трехстержневой ферромагнитный сердечник 1 трансформатора с расположенной на стержнях трехфазной первичной обмоткой 2, выполненной из медного или алюминиевого провода, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой 3, являющейся электроводящим теплообменником, выполненным из меди, с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости. Первичная обмотка 2 соединена в схему звезда с нулем. Вторичная фазная обмотка 3, выполненная непрерывной трубкой, соединена последовательно в замкнутый контур по схеме разомкнутый треугольник.

Витки вторичной обмотки 3, являющиеся непрерывными частями токопроводящей трубки, образуют последовательно соединенные вторичные фазы, по меньшей мере одна из которых включена встречно другим и расположена несимметрично к магнитному потоку, создаваемому в первичной обмотке 2.

Проточный подогреватель жидкости индукционного типа по второму варианту выполнения содержит многостержневой ферромагнитный сердечник 1 трансформатора с расположенной на стержнях трехфазной первичной обмоткой 2, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой 3, являющейся электроводящим теплообменником с входным и выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости. Вторичная фазная обмотка 3 соединена последовательно в замкнутый контур, выполненный непрерывной трубкой.

Витки вторичной обмотки 3 образуют последовательно соединенные вторичные фазы, по меньшей мере одна из которых включена встречно другим и расположена несимметрично к магнитному потоку, создаваемому в первичной обмотке 2.

В каждой параллельной ветви встречно включаемые фазы вторичных обмоток чередуются.

Заявляемый проточный подогреватель жидкости индукционного типа (два варианта) эксплуатируется следующим образом.

Для подключения проточного подогревателя в технологическую линию подготовки трансформаторного масла первичная обмотка подключается к сети трехфазного тока, а через вторичную обмотку протекает трансформаторное масло, которое нагревается до 80°С.

В результате исследований установлено, что предлагаемый проточный подогреватель жидкости индукционного типа (два варианта) позволяет по сравнению с прототипом:

- интенсифицировать индукционный нагрев жидкости по временным показателям;

- повысить значение теплового кпд до 95% за счет более полного использования удельной теплопередающей поверхности вторичной обмотки и более полного использования спектра токов высших гармоник в конструкции теплообменника;

- упростить конструктивное выполнение и повысить технологичность изготовления устройств подогревателей.