початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2120703

ПРИСТРІЙ ДЛЯ ІНДУКЦІЙНОГО нагріву рідини в ТРУБОПРОВОДІ

Ім'я винахідника: Єрьомін Володимир Петрович (UA); Єрьомін Геннадій Петрович (UA); Лаппа Олег Павлович (UA)
Ім'я патентовласника: Єрьомін Володимир Петрович (UA); Єрьомін Геннадій Петрович (UA); Лаппа Олег Павлович (UA)
Адреса для листування:
Дата початку дії патенту: 1997.08.27

Винахід використовують в системах опалення та водопостачання. Пристрій містить індукційний нагрівач, що включає магнітопроводную циліндричну ємність з вхідним і вихідним патрубками, зовнішні і внутрішні індукційні обмотки, циліндричні і кругові розподільники потоку рідини, ізоляційні прокладки, магнітопроводний екран. Для управління нагріванням до складу пристрою входять випрямляч змінного струму і інвертор, послідовно з'єднані один з одним і з індукційним нагрівачем. Інвертор і з'єднаний з блоком управління інвертором, вузлом порівняння температур, до якого підключені термодатчики, блоком управління насосом і насосом. Нагрівання води відбувається теплопередачей від стінок циліндричної магнітопроводной ємності, які, в свою чергу, нагріваються вихровими струмами, індукованими обмотками, до тонких шарів холодної рідини, розділеним системою розподільників потоку. Пристрій забезпечує підвищення його коефіцієнта потужності, ККД, швидкий і економічний нагрів води.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використано в системах опалення та водопостачання.

Відомо пристрій для індукційного нагріву рідини, що представляє собою погружной водонагрівач, що містить індукційну обмотку, закладену в герметичну оболонку, що складається з внутрішнього і зовнішнього трубчастих елементів, з'єднаних по торцях фланцями, причому внутрішній трубчастий елемент виконаний у вигляді набору окремих труб, встановлених по утворюючим циліндра впритул один до одного, а кожна пара труб герметично з'єднана пластиною, розташованою по всій довжині труб по дотичній до їх зовнішньої поверхні (а.с. СРСР N 1760653, H 05 B 6/10, 1992 г.).

Проте відоме пристрій має недостатньо високий коефіцієнт корисної дії (ККД) і високу металоємність. Ці недоліки обумовлені низькою частотою струму живлення індукційної обмотки (50 Гц), що вимагає великої кількості витків мідного дроту і приводить до омічним втрат в обмотці. Відомо і пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі, що включає одну або кілька індукційних обмоток, що охоплюють одну або кілька труб з рідким середовищем. Потік її проходить через систему каналів у формі лабіринту з внутрішніх каналів з кільцями або спіралями, які утворюють електричні короткозамкнені контури і при підведенні живлення до індукційним обмоткам нагріваються і нагрівають стикається середу (ЄПВ N 0075811, H 05 B 6/10, F 24 H 1 / 10, 1983).

Відоме пристрій має недостатньо високий ККД, обумовлений великими втратами в зв'язку з підвищеним електричним опором громіздкої конструкції лабіринтів. Кільця і ​​спіралі всередині лабіринтів заважають переміщенню в верхню частину нагрівача теплих потоків рідини. Пристрій складно в виготовленні, металоємність, так як містить багато деталей всередині лабіринтів, і при його виготовленні використовують велику кількість мідного дроту в обмотках через застосування низькочастотного струму харчування (50 Гц).

Найбільш близьким за технічною суттю і досягається результату до заявляється є відоме пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі (заявка Франції N 2568083, H 05 B 6/10, 1986 г.), що включає щонайменше один індукційний нагрівач, що містить щонайменше одну індукційну обмотку з електротеплоізоляціонной прокладкою, що охоплює циліндричну магнітопроводную ємність, з'єднану з трубопроводом для подачі і відведення рідини через відповідно вхідний і вихідний патрубки і послідовно з'єднаний з регулятором змінного струму у вигляді двох вимикачів постійного струму термодатчиком, механічно закріпленим на вихідний магістралі трубопроводу. Джерело живлення - змінний струм з частотою 50 Гц.

Недоліком відомого пристрою є недостатньо високий коефіцієнт потужності (0,70 - 0,78), оскільки при його експлуатації відбувається розсіювання тепла в просторі від зовнішньої індукційної обмотки, і неповне поглинання електромагнітної енергії оболонкою індукційного нагрівача. Зниження коефіцієнта потужності призводить до зниження ККД пристрою (до 0,80 - 0,85). ККД знижують і омические втрати на індукційної обмотці відомого пристрою з великою кількістю витків мідного дроту, що пов'язано з використанням струму харчування частотою 50 Гц. З цієї ж причини відомий нагрівач виконаний товстостінним. Велика витрата міді і стали робить виробництво відомого пристрою неекономічним. Вага пристрою приблизно 45 - 50 кг.

Ще один недолік відомого пристрою - нерівномірний і недостатньо швидке нагрівання великих обсягів холодної рідини, оскільки конструкція відомого індукційного нагрівача забезпечує нагрів лише пристінкових шарів рідини. Надалі ж тепло передається від більш теплих шарів рідини до холодних за рахунок природної термоконвекціі. Крім того, необхідність використання толстостенной магнітопроводной ємності в відомої конструкції призводить до зниження швидкості нагріву рідини.

Відоме пристрій має недостатньо високі характеристики надійності за рахунок частих помилкових спрацьовувань термодатчика, а за ним - і вимикача нагріву, що обумовлено нестаціонарним характером нагрівання шарів рідини, що забезпечується конструкцією відомого пристрою.

В основу винаходу поставлена задача в пристрої для індукційного нагріву рідини в трубопроводі шляхом введення нових вузлів для перетворення споживаного електричного струму, удосконалення системи управління пристроєм і конструкції індукційного нагрівача забезпечити підвищення коефіцієнта потужності пристрою, рівномірності і швидкості нагріву рідини, зниження витрати металів. При цьому підвищується ККД заявляється пристрою.

Коефіцієнт потужності і ККД зростають до 0,95 - 0,96. При випробуванні заявляється пристрою встановлено, що час розігріву 70 л води від 20 до 80 ^{o C} становить 45 - 50 хв при потужності пристрою 3 - 4 кВт. Витрата металів знижено в порівнянні з прототипом на 75 - 80%, швидкість нагріву збільшилася на 10 - 15%. Вага заявляється пристрою становить 7 - 8 кг, а економія електроенергії - 25 - 30%.

Поставлена задача вирішується тим, що в відоме пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі, що включає послідовно з'єднані регулятор змінного струму, індукційний нагрівач, що містить щонайменше одну індукційну обмотку з електротеплоізоляціонной прокладкою, що охоплює циліндричну магнітопроводную ємність, що має пов'язані з трубопроводом вхідний і вихідний патрубки , перший термодатчик, механічно закріплений на вихідний магістралі трубопроводу, введені в якості регулятора змінного струму послідовно з'єднані випрямляч змінного струму і інвертор, вихід якого підключений до електричного входу індукційного нагрівача, а другий вхід - до виходу блоку управління інвертором, другий термодатчик, механічно закріплений на вхідній магістралі трубопроводу, виходи першого і другого термодатчиков з'єднані з входами вузла порівняння температур, один з виходів останнього підключений до входу блоку управління інвертором, а другий - до входу блоку управління насосом, вихід блоку управління насосом підключений до керуючого входу насоса, причому насос механічно закріплений на трубопроводі між вхідний і вихідний магістралями, а в індукційному нагрівачі щонайменше одна індукційна обмотка, укладена в герметичний циліндричний корпус з електротеплоізоляціонимі прокладками, розміщена всередині циліндричної магнітопроводной ємності, всередині ємності закріплені і щонайменше один циліндричний і один кругової розподільники потоку рідини, що нагрівається , розташовані відповідно уздовж поздовжньої і поперечної осей магнітопроводной циліндричної ємності, зовні індукційний нагрівач укладений до магітопроводний екран, а потім - в теплоізоляційний кожух, причому, зазначені магнітопроводная ємність, корпус внутрішньої індукційної обмотки і розподільники потоку рідини, що нагрівається виготовлені з тонколистової феромагнітної сталі.

Іншою відмінністю заявляється пристрою є те, що в індукційному нагрівачі розміщена щонайменше ще одна внутрішня індукційна обмотка, кожна обмотка укладена в герметичний циліндричний корпус, і обмотки закріплені в магнітопроводной ємності концентрично одна в іншій з зазором між ними.

Ще однією відмінністю заявляється пристрою є те, що в індукційному нагрівачі розміщена щонайменше ще одна внутрішня індукційна обмотка, кожна обмотка укладена в герметичний циліндричний корпус і обмотка закріплена в магнітопроводной ємності одна над іншою з зазором між ними.

Між сукупністю суттєвих ознак винаходу і досягається технічним результатом є причинно-наслідковий зв'язок.

Коефіцієнт потужності заявляється пристрою підвищується за рахунок практично повного перетворення електромагнітної енергії. Цей ефект досягається введенням в заявляється пристрій в якості регулятора змінного струму послідовно з'єднаних випрямляча змінного струму, інвертора і блоку управління інвертором. За допомогою випрямляча мережевої змінний струм з частотою близько 50 Гц перетворюється в постійний, який за допомогою інвертора перетворюється в високочастотний: 10 - 20 кГц. Індукційна обмотка, на яку подають високочастотний струм, виготовлена зі значно меншою кількістю витків, ніж при подачі струму з промисловою частотою 50 Гц (прототип). Це істотно зменшує омические втрати, призводить до економії міді і електроенергії.

За допомогою блоку управління інвертором автоматично регулюється величина струму, що подається на індукційну обмотку, забезпечується висока надійність роботи всього пристрою, тому що запобігається перегрів рідини. Застосування високочастотного струму дозволяє замінити всі товстостінні металеві деталі тонкостінними, що прискорює нагрів рідини і значно знижує витрату металу (на 75 - 80%) (Кувалдін А.Б. Індукційний нагрів феромагнітної сталі.- М .: Вища школа, 1988, с. 27) .

Надійній роботі, більш швидкому і рівномірному нагріванню великих об'ємів рідини сприяє введення в заявляється пристрій другого термодатчика, закріпленого на вхідній магістралі трубопроводу і підключеного разом з першим термодатчиком, закріпленим на вихідний магістралі, до входів вузла порівняння температур. Причому зазначений вузол має виходи на блоки управління інвертором і насосом, який встановлений між вхідний і вихідний магістралями трубопроводу. У пристрої-прототипі присутній лише перший термодатчик, який контролює початкову стадію нагрівання рідини і перешкоджає збільшенню швидкості нагріву всього об'єму рідини в основній магістралі. У відомому пристрої відбуваються часті включення-виключення нагрівання, оскільки процес вирівнювання температур різних шарів рідини природною термоконвекціей на початку вихідний магістралі носить нестаціонарний характер. Це призводить до помилкових спрацьовувань першого термодатчика і вимикачів і неналежної роботи пристрою. Тому для початкового розгону теплих шарів рідини шляхом примусової термоконвекціі при включенні нагріву в заявляється пристрої між вхідний і вихідний магістралями трубопроводу встановлений насос. Після вирівнювання градієнтів температур в трубопроводі і досягнення необхідних температурних показників насос відключається автоматично за допомогою блоку управління насосом. Завдяки встановленню насоса між вхідний і вихідний магістралями трубопроводу після його відключення можливо безперешкодний рух рідини по трубопроводу з подальшою природною термоконвекціей. Подальша підтримка заданого температурного режиму нагріву води у вхідній магістралі трубопроводу здійснюється другим термодатчиком. Завдяки роботі двох термодатчиків і вузла порівняння температур підвищується надійність роботи заявляється пристрою і швидкість нагріву рідини. А за рахунок підключення до системи насоса з блоком управління підвищується швидкість нагріву, з'являється можливість швидкого і рівномірного нагріву великих обсягів рідини, підвищується надійність роботи заявляється пристрою за рахунок усунення перегріву рідини і помилкових спрацьовувань термодатчиков.

В одному з приватних варіантів використання відомого пристрою можливе застосування насоса в разі установки в системі нагріву резервуара з рідиною. Однак в конструкцію відомого пристрою насос не входить (див. Фіг. 2 в описі до заявки Франції N 2568083), і в зазначеному вище окремому випадку застосування відомого пристрою він виконує функцію, відмінну від функції насоса в заявляється конструкції.

Нова конструкція індукційного нагрівача сприяє збільшенню коефіцієнта потужності і ККД пристрою за рахунок усунення електричних втрат (завдяки застосуванню магнітопроводного екрану). Швидкість нагріву збільшується за рахунок інтенсифікації теплопередачі за допомогою циліндричних і кругових металевих розподільників потоку рідини, що нагрівається, які ділять потік холодної рідини на вузькі шари, значно швидше нагріваються, ніж один широкий потік. Зазначений ефект зростає при введенні в індукційний нагрівач крім зовнішньої індукційної обмотки ще і внутрішньої. У відомому індукційному нагрівачі тепло передається від індукційної обмотки до циліндричної магнітопроводной ємності, а від неї до холодної рідини, яка нагрівається і передає тепло холоднішим верствам. В заявляється нагрівачі тепло передається, наприклад, за наступним шляхом: зовнішня індукційна обмотка, циліндрична магнітопроводная ємність, рідина, циліндричний розподільник потоку, рідина, кругової розподільник потоку, рідина, корпус внутрішньої індукційної обмотки і т.д. Швидкому і стабільному нагріванню сприяє і матеріал металевих деталей нагрівача: тонколистовая феромагнітна сталь, яка швидко нагрівається і швидко передає тепло рідина. Збільшенню енергозберігаючого ефекту при експлуатації відомого пристрою сприяє наявні електротеплоізоляціонние прокладки і теплоізоляційний кожух.

На фіг. 1 представлена блок-схема пристрою для індукційного нагріву рідини в трубопроводі. На фіг. 2 і 3 представлені відповідно поздовжній і поперечний розрізи індукційного нагрівача. Пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі (фіг. 1) містить послідовно з'єднані випрямляч 1 змінного струму і інвертор 2, вихід якого приєднаний до індукційному нагревателю 3, а другий вхід - до виходу блоку 4 управління інвертором. Крім того, пристрій містить перший термодатчик 5 і другий термодатчик 6, механічно закріплені відповідно на вихідний 7 і вхідний 8 магістралях трубопроводу. Електрично обидва термодатчика своїми виходами підключені до двох входів вузла 9 порівняння температур, який одним своїм виходом пов'язаний з входом блоку 4 управління інвертором, а другим - з входом блоку 10 управління насосом. Вихід блоку 10 приєднаний до керуючого входу насоса 11, механічно закріпленого між вхідний 8 і вихідний 7 магістралями трубопроводу.

Індукційний нагрівач 3 складається з магнітопроводной циліндричної ємності 12, на протилежних кінцях якої є для зв'язку з основним трубопроводом патрубки: внизу ємності - вхідний патрубок 13, вгорі - вихідний патрубок 14. По зовнішній поверхні магнітопроводной циліндричної ємності 12 прокладена електротеплоізоляціонная прокладка 15, потім закріплена зовнішня індукційна обмотка 16, яка зовні захищена магнітопроводним екраном 17 і теплоізоляційним кожухом 18. Усередині ємності 12 індукційного нагрівача 3 розташовані циліндричні 19 і кругові 20 розподільники потоку рідини, що нагрівається. Усередині нагрівача 3 в його циліндричної магнітопроводной ємності 12 закріплена внутрішня індукційна обмотка 21, укладена в герметичний тороїдальний циліндричний корпус 22 прокладеними всередині і зовні його електротеплоізоляціоннимі прокладками 15. Якщо в пристрої є дві (і більше) внутрішні індукційні обмотки 21, укладені кожна в корпус 22 з прокладками 15, то вони механічно закріплені всередині циліндричної магнітопроводной ємності 12 концентрично одна в іншій з зазором між ними або одна над іншою і з зазором (на кресленні не показано).

СТВЕРДЖУВАНЕ Пристрій працює наступним чином

Заявляється пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі в залежності від застосування встановлюється в систему опалення або систему гарячого водопостачання. Пристрій підключається до електромережі в 220 В / 380 В. Струм надходить на випрямляч 1, який перетворює його в постійний. Постійний струм надходить з виходу випрямляча 1 на вхід інвертора 2 і перетворюється там в високочастотний змінний струм (10 - 20 кГц). З виходу інвертора 2 високочастотний струм подається в індукційний нагрівач рідини 3, а саме: на зовнішню 16 і внутрішню 21 індукційні обмотки, які вихровими струмами швидко нагрівають метал циліндричної магнітопроводной ємності 12 і корпусу 22 обмотки 21. Від них нагріваються пристінкові шари холодної рідини і тонкі шари рідини в зазорах між розподільниками потоку 19 або 20.

Магнітопроводний екран 17, система електротеплоізоляціонних прокладок 15 і теплоізоляційний кожух 18 крім ізолюючої функції виконують і енергозберігаючу функцію.

Для початкового розгону рідини (примусової конвекції) і попередження її закипання включають насос 11, керований блоком 10 в залежності від сигналу, що подається з вузла 9 порівняння температур після аналізу в ньому сигналів, що надійшли від термодатчиків першого 5 (на вихідний 7 магістралі трубопроводу) і другого 6 (на вхідний 8 магістралі). Після вирівнювання температур рідини в магістралях 7 і 9 насос 11 відключається за допомогою блоку 10. Надалі насос 11 може бути включений при установці більш високого режиму нагріву. Одночасно вузол 9 порівняння температур виробляє керуючу напругу, пропорційне температурі рідини всередині вхідного патрубка 13. Сигнал з виходу вузла 9 надходить на вхід блоку 4 управління інвертором.

Сигнал з виходу блоку 4 передається на другий догляд інвертора 2, який погоджує величину струму, що живить обмотки 16 і 21 індукційного нагрівача 3, з новим температурним режимом. Так досягається стабілізація температури в трубопроводі. Нагрітий потік рідини через патрубок 14 надходить до споживача. При досягненні в контурі трубопроводу заданої температури рідини споживану від мережі потужність струму пристрій автоматично знижує до рівня, необхідного для підтримки балансу температур, що задається блоком 4 в автоматичному режимі.

Залежно від споживаної теплової потужності в заявляється пристрій можуть бути включені одна або кілька індукційних обмоток 16 і 21 і відповідно один або декілька розподільників потоку 19 і 20. Заявляється пристрій забезпечує межа автоматичного регулювання температур від 5 до 95 ^{o C.} Для гарячого водопостачання запропоноване пристрій забезпечує швидке нагрівання видаткової води при менших енерговитратах в прямоточном варіанті або з використанням теплообмінника.

Пристрій виконаний на наступній елементній базі:

• випрямляч 1 виконаний на дискретних діодах типу Д-132-40-8;
• інвертор 2 - на тиристорах типу ТБ;
• термодатчики 5, 6 - на термисторах типу КМТ;
• блок 4 управління інвертором, вузол 9 порівняння температур, блок 10 управління насосом - на інтегральних мікросхемах типу К 140 УД-10, транзисторах типу КТ 315, КТ 815, КТ 817, КТ 117.

У пристрої застосований насос 11 фірми Grundfos (Німеччина) марки UPS 25 - 40 (або 25 - 60). Циліндрична магнітопроводная ємність 12 з патрубками 13, 14, корпус 22 внутрішньої індукційної обмотки 21, розподільники потоку рідини 19, 20 виготовлені з тонколистової безнікелеві феромагнітної нержавіючої сталі марки "ДІ" (завод "Дніпроспецсталь").

Магнітопроводний екран 17 виготовлений на базі пористої основи (наприклад, склотканини), яка просякнута ферритовой пастою марки «2000 НМ".

Індукційні обмотки 16, 21 виготовлені із застосуванням мідного дроту перетином 3 - 4 мм ^2, покритого ізоляцією типу ПНСДКТ і ПНСДК з просоченням Нагревостойкость лаками.

У пристрої застосовані електротеплоізоляціонние прокладки 15 типу "Мекане М-3".

Розроблений пристрій за ступенем захисту у закритих приміщеннях відповідає ГОСТу 14254-80, а за способом захисту від ураження електричним струмом - класу 0,1 відповідно до Держстандарту 12.2.007.0-75.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Пристрій для індукційного нагріву рідини в трубопроводі, що включає послідовно з'єднані регулятор змінного струму, індукційний нагрівач, що містить щонайменше одну індукційну обмотку з електротеплоізоляціонной прокладкою, що охоплює циліндричну магнітопроводную ємність, що має пов'язані з трубопроводом вхідний і вихідний патрубки, перший термодатчик, механічно закріплений на вхідний магістралі трубопроводу, що відрізняється тим, що в нього введені в якості регулятора змінного струму послідовно з'єднані випрямляч змінного струму і інвертор, вихід якого підключений до електричного входу індукційного нагрівача, а другий вхід - до виходу блоку управління інвертором, другий термодатчик, механічно закріплений на вхідній магістралі трубопроводу, виходи першого і другого термодатчиков з'єднані з входами вузла порівняння температур, один з виходів останнього підключений до входу блоку управління інвертором, а другий - до входу блоку управління насосом, вихід блоку управління насосом приєднаний до керуючого входу насоса, причому насос механічно закріплений на трубопроводі між вхідний і вихідний магістралями, а в індукційному нагрівачі щонайменше одна індукційна обмотка, укладена в герметичний циліндричний корпус з електротеплоізоляціоннимі прокладками, розміщена всередині циліндричної магнітопроводной ємності, всередині ємності закріплені і щонайменше один циліндричний і один кругової розподільники потоку рідини, що нагрівається, розташовані відповідно уздовж поздовжньої і поперечної осей магнітопроводной циліндричної ємності, зовні індукційний нагрівач укладений в магнітопроводний екран, а потім - в теплоізоляційний кожух, причому зазначені магнітопроводная ємність, корпус внутрішньої індукційної обмотки і розподільники потоку рідини, що нагрівається виготовлені з тонколистової феромагнітної сталі.

2. Пристрій за п. 1, яке відрізняється тим, що в індукційному нагрівачі розміщена щонайменше ще одна внутрішня індукційна обмотка, кожна обмотка укладена в герметичний циліндричний корпус і обмотки закріплені в магнітопроводной ємності концентрично одна в іншій з зазором між ними.

3. Пристрій за п. 1, яке відрізняється тим, що в індукційному нагрівачі розміщена щонайменше ще одна внутрішня індукційна обмотка, кожна обмотка укладена в герметичний циліндричний корпус і обмотка закріплена в магнітопроводной ємності одна над іншою з зазором між ними.

Версія для друку
Дата публікації 30.11.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів