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 RU2138137

ІНДУКЦІЙНИЙ Нагрівач текучого середовища

Ім'я винахідника: Черепанов В.А.
Ім'я патентовласника: Карманов Євген Дмитрович; Шаплен Сергій Іванович
Адреса для листування: 630064, Новосибірськ, ул.Новогодняя 20, кв.5, Шаплову С.І.
Дата початку дії патенту: 1998.02.11

Використовується для нагріву води та інших текучих середовищ в системах з природною і примусовою циркуляцією нагрівається середовища. В індукційному нагрівачі текучих середовищ, що містить плоский феромагнітний сердечник зі стрижнями з первинної обмоткою, з'єднаної з джерелом змінного струму, і індуктивно пов'язану з первинної обмоткою через сердечник електропровідну вторинну обмотку, що є теплообмінником і виконану з розташованих в площині витків первинної обмотки трубчастих елементів, з'єднаних з колекторами і утворюють замкнуті контури навколо кожного зі стрижнів сердечника, пропонується трубчасті елементи виконати у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює щонайменше один зі стрижнів сердечника, а колектори виконати у вигляді паралельних стрижнів сердечника відрізків труб, при цьому пропонується стрижні сердечника і витки первинної обмотки розташувати у взаімоперпендікулярних вертикальних площинах. Це дозволяє підвищити ККД, зменшити матеріалоємність і габарити.

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до області електротехніки, а саме до індукційних нагрівачів текучих середовищ, і може бути використано для нагріву води та інших текучих середовищ в системах з природною і примусовою циркуляцією нагрівається середовища як в промислових, так і в побутових умовах.

Відомі трифазний індукційний нагрівач текучого середовища згідно з авторським свідченням N 1781845, кл. H 05 У 6/10, опубл. 15.12.92 та побутової електронагрівальний прилад згідно патенту Російської Федерації N 2037276, кл. H 05 У 6/10, опубл. 09.06.95, які містять сталеві труби для проходження нагрівається текучого середовища і розміщення на сталевих трубах обмотки, що підключаються до мережі змінного струму. Сталеві труби є одночасно магнитопроводом і теплообмінником.

Вищеописані індукційні нагрівачі мають ряд недоліків. По-перше, вони мають низький коефіцієнт потужності, тобто cos , Що обумовлено насиченням стінок сталевих труб магнітним потоком, а й великим розсіюванням магнітного потоку первинної обмотки. По-друге, для створення магнітного потоку в насичених стінках сталевих труб потрібно первинна обмотка, що володіє великою намагничивающей силою, в результаті чого через великі втрат потужності в первинній обмотці, а й з-за теплового розсіювання з поверхонь сталевих труб знижується коефіцієнт корисної дії (ККД) при перетворенні електричної енергії в теплову. Крім того, зазначені вище недоліки призводять до підвищення матеріаломісткості нагрівачів.

Відомий індукційний нагрівач текучих середовищ згідно патенту Російської Федерації N 2031551, кл. H 05 У 6/10, опубл. 20.03.95, що містить трансформатор, вторинна обмотка якого виконана з електропровідного короткозамкненою трубки, що представляє собою змійовик, усередині якого циркулює нагрівається текуче середовище.

Такий нагрівач володіє досить високими енергетичними показниками - ККД і cos , Проте погане охолодження первинної обмотки, яка закрита витками вторинної обмотки, і необхідність розміщення двох рядів трубок вторинної обмотки в міжкотушкових просторі при многофазном або многостержневом виконанні нагрівача призводять до підвищення матеріаломісткості і габаритів нагрівача. Крім того, високий гідравлічний опір теплообмінника, виконаного у вигляді змійовика, ускладнює використання нагрівача в системах з природною циркуляцією текучих середовищ.

Відомий індукційний нагрівач рідини згідно патенту Російської Федерації N 2074529, кл. H 05 B 6/10, опубл. 27.02.97, який містить трансформатор з многостержневим феромагнітним сердечником, розташовану на стрижнях багатофазну первинну обмотку і вторинну обмотку, що є теплообмінником і виконану у вигляді пустотілої камери з електропровідного матеріалу. У камері є наскрізні вертикальні канали, в кожному з яких з зазором встановлені стрижні сердечника трансформатора.

Вищеописаний нагрівач і має ряд недоліків, обумовлених виконанням теплообмінника у вигляді пустотілої камери, яка охоплює стрижні сердечника. Така форма теплообмінника не володіє однаковою симетрією по відношенню до крайніх та середньому стержнів сердечника, що викликає несиметричність фазних струмів первинної обмотки і призводить до зниження енергетичних показників нагрівача. Крім того, неоднакова теплова потужність, що виділяється на різних ділянках поверхні теплообмінника, і неоднакова швидкість обтікання тепловіддаючим поверхонь нагрівається середовищем обумовлюють зниження ефективності теплообміну, ускладнює застосування нагрівача в системах з природною циркуляцією рідини, призводить до нераціонального використання матеріалів, з яких виконаний теплообмінник. Погане охолодження первинної обмотки, розміщеної в каналах теплообмінника, додатково збільшує матеріалоємність нагрівача і знижує його ККД.

Найбільш близьким за технічною сутністю до пропонованого є індукційний нагрівач рідини згідно патенту США N 4602140, кл. H 05 B 6/10, опубл. 07.22.86. Т. 1 068 N 4, який містить магнітний сердечник, на стрижнях якого намотана первинна обмотка, сполучена з джерелом змінного струму, і індуктивно пов'язану через сердечник з первинної обмоткою вторинну обмотку, що є теплообмінником, виконану з розташованих паралельно витків первинної обмотки прямих трубок, кінці яких з'єднані з резервуарами для рідини (колекторами). Трубки і резервуари виконані з електропровідного матеріалу і утворюють контури, замкнуті навколо стрижнів сердечника.

Індукційний нагрівач з такою конструкцією теплообмінника має усіма недоліками, описаними вище, тобто має великі матеріаломісткість і габарити, а й невисокі енергетичні показники. Це пов'язано з наступним. По-перше, великими розмірами вікон сердечника, що необхідно для розміщення первинної обмотки і подвійного ряду трубок теплообмінника. По-друге, тим, що зовнішні поверхні резервуарів не беруть участі в нагріванні текучого середовища, так як в них не виділяється теплова енергія за рахунок індукованих струмів, що збільшує витрату матеріалів на теплообмінник. По-третє, тим, що первинна обмотка закрита теплообмінником і погано охолоджується. Крім того, розташування трубок теплообмінника в горизонтальній площині, ускладнює процеси природної циркуляції рідини, що обмежує сферу застосування нагрівача.

Пропонований винахід направлено на вирішення завдання підвищення ККД перетворення електричної енергії в теплову, зменшення матеріалоємності та габаритів нагрівача при одночасному розширенні області застосування індукційного нагрівача за рахунок забезпечення можливості його використання в системах з природною циркуляцією текучого середовища.

Суть винаходу полягає в тому, що в індукційному нагрівачі текучих середовищ, що містить плоский феромагнітний сердечник зі стрижнями, на яких намотана первинна обмотка, сполучена з джерелом змінного струму, і індуктивно пов'язану з первинної обмоткою через сердечник електропровідну вторинну обмотку, що є теплообмінником для нагрівається текучого середовища , виконану з розташованих в площині витків первинної обмотки трубчастих елементів, кінці яких з'єднані з колекторами, забезпеченими патрубками для входу і виходу текучого середовища, при цьому трубчасті елементи разом з колекторами утворюють замкнуті контури навколо кожного зі стрижнів сердечника, пропонується трубчасті елементи виконати у вигляді полувітков , кожен з яких охоплює щонайменше один зі стрижнів сердечника, а колектори виконати у вигляді паралельних стрижнів сердечника відрізків труб, при цьому пропонується стрижні сердечника і витки первинної обмотки розташувати у взаімоперпендікулярних вертикальних площинах.

Трубчасті елементи можуть бути виконані у вигляді полувітков S-подібної форми, кожен з яких охоплює два сусідніх стержня сердечника.

Трубчасті елементи можуть бути виконані у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень сердечника, при цьому щонайменше у двох з трубчастих елементів один з кінців може бути виконаний у вигляді прямолінійного відрізка, паралельного площині стрижнів сердечника.

Щонайменше у одного з трубчастих елементів обидва кінці можуть бути виконані у вигляді прямолінійних відрізків, паралельних площині стрижнів сердечника.

У пропонованому індукційному нагрівачі текучих середовищ завдяки виконанню трубчастих елементів у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює щонайменше один зі стрижнів сердечника, виконання колекторів у вигляді паралельних стрижнів сердечника відрізків труб і розташуванню стрижнів сердечника і витків первинної обмотки у взаімоперпендікулярних вертикальнихплощинах створюється оптимальна просторова конфігурація теплообмінника: трубчасті елементи вторинної обмотки розташовуються в вікнах сердечника в один ряд, теплообмінник практично не перешкоджає охолодженню первинної обмотки, а всі поверхні теплообмінника, включаючи поверхні колекторів, розташовані однаково щодо магнітного потоку, створюваного первинної обмоткою, і нагріваються індукованими струмами рівномірно, що дозволяє зменшити матеріаломісткість і габарити нагрівача і підвищити ККД перетворення електричної енергії в теплову. Крім того, при такій конфігурації теплообмінника забезпечується однакова швидкість обтікання текучим середовищем всіх тепловіддаючим поверхонь трубчастих елементів і колекторів, оскільки гідравлічний опір кожної ділянки теплообмінника однаково по відношенню до вхідного і вихідного патрубків, що і збільшує інтенсивність теплообміну і підвищує ККД. До того ж, при такій конфігурації замкнутого контуру вторинної обмотки і при розташуванні стрижнів сердечника і витків первинної обмотки у веаімоперпендікулярних вертикальнихплощинах забезпечується вертикальна орієнтація замкнутого контуру, що сприяє створенню гравітаційного теплового напору, що дозволяє використовувати нагрівач в системах з природною циркуляцією текучого середовища і розширює область його застосування.

Виконання трубчастих елементів у вигляді полувітков S-образної форми, кожен з яких охоплює два сусідніх стержня сердечника, дозволяє розташувати трубчасті елементи по обидва боки від площини стрижнів сердечника. Це сприяє тому, що всі елементарні провідники, умовно виділені на поверхні теплообмінника по лінії протікання струмів, мають однакову довжину і знаходяться практично в однакових умовах по відношенню до магнітного поля первинної обмотки, в результаті чого підвищується рівномірність завантаження перетину трубок теплообмінника індукованим струмом, а, отже, рівномірність нагрівання поверхні теплообмінника.

Виконання трубчастих елементів у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень сердечника, і виконання щонайменше у двох з трубчастих елементів одного з кінців у вигляді прямолінійного відрізка дозволяє розташувати трубчасті елементи по одну сторону від площини стрижнів сердечника. Таке розташування трубчастих елементів теплообмінника створює можливість виконання багатофазних нагрівачів, а виконання щонайменше у одного з трубчастих елементів обох кінців у вигляді прямолінійних відрізків, дозволяє реалізувати цю можливість.

На фіг. 1 наведено загальний вигляд однофазного індукційного нагрівача текучих середовищ, вторинна обмотка якого виконана з трубчастих елементів у вигляді S-подібних полувітков, кожен з яких охоплює два сусідніх стержня сердечника. На фіг. 2 наведено загальний вигляд однофазного індукційного нагрівача, вторинна обмотка якого виконана з трубчастих елементів у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень сердечника. На фіг. 3 наведено загальний вигляд трифазного індукційного нагрівача.

У прикладі реалізації, наведеному на фіг. 1, однофазний індукційний нагрівач текучих середовищ містить плоский сердечник з феромагнітного матеріалу з двома стрижнями 1. На стержнях 1 намотані котушки 2 первинної обмотки, з'єднані з джерелом змінного струму (на фігурах не показаний). Стрижні 1 і витки котушок 2 первинної обмотки розташовані у взаімоперпендікулярних вертикальних площинах. Вторинна обмотка, що є теплообмінником, виконана з двох трубчастих елементів 3 у вигляді S-образних полувітков, кожен з яких охоплює два стержня 1. Трубчасті елементи 3 розташовані в площині витків котушок 2 первинної обмотки. Відповідні кінці трубчастих елементів 3 з'єднані між собою за допомогою колекторів 4, які виконані у вигляді двох відрізків труб, паралельних стержнів 1 сердечника. Колектори 4 забезпечені патрубками 5 і 6, призначеними відповідно для входу і виходу текучого середовища. Трубчасті елементи 3 разом з колекторами 4 утворюють навколо кожного зі стрижнів 1 замкнутий контур, в якому трубчасті елементи 3 орієнтовані в вертикальному напрямку і розташовані по обидва боки від площини стрижнів 1 сердечника. Кількість таких замкнутих контурів в теплообміннику може варіюватися і залежить від конкретної розв'язуваної задачі.

Нагрівач працює в такий спосіб. При включенні первинної обмотки 2 в мережу змінного струму в феромагнітному осерді створюється змінний магнітний потік, з яким індуктивно пов'язаний замкнутий контур, утворений трубчастими елементами 3 і колекторами 4. У трубчастих елементах 3 і колекторах 4 індукуються струми, що викликають рівномірний нагрів всіх поверхонь трубчастих елементів 3 і колекторів 4. Тепло від усіх нагрітих поверхонь передається плинної середовищі, що надходить в теплообмінник через вхідний патрубок 5 і яка витікає через вихідний патрубок 6. Малий гідравлічний опір теплообмінника і вертикальна орієнтація трубчастих елементів 3 сприяють створенню гравітаційного напору, достатнього для забезпечення циркуляцією нагрівається текучого середовища.

У прикладі реалізації, наведеному на фіг. 2, однофазний індукційний нагрівач текучих середовищ містить плоский сердечник з феромагнітного матеріалу з двома стрижнями 7. На стержнях 7 намотані котушки 8 первинної обмотки, з'єднані з джерелом змінного струму (на фігурах не показаний). Стрижні 7 і витки котушок 8 первинної обмотки розташовані у взаімоперпендікалярних вертикальних площинах. Вторинна обмотка, що є теплообмінником, виконана з двох трубчастих елементів 9 у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень 7. Трубчасті елементи 9 розташовані в площині витків котушок 8 первинної обмотки і орієнтовані в вертикальному напрямку. Відповідні кінці трубчастих елементів 9 з'єднані між собою за допомогою колекторів 10, виконаних у вигляді двох відрізків труб, паралельних стержнів 1 сердечника. Кінці трубчастих елементів 9 мають прямолінійні ділянки 11, розташовані в площині стержнів 7. Колектори 10 забезпечені патрубками 12 і 13, призначеними відповідно для входу і виходу текучого середовища. Трубчасті елементи 9 разом з колекторами 10 утворюють навколо кожного зі стрижнів 7 замкнутий контур, в якому трубчасті елементи 9 розташовані по одну сторону від площини стрижнів 7. Кількість замкнутих контурів вторинної обмотки може варіюватися. Працює нагрівач подібно до вищеописаного.

У прикладі реалізації, наведеному на фіг. 3, трифазний індукційний нагрівач текучих середовищ містить плоский сердечник з феромагнітного матеріалу з трьома стрижнями 14. На стрижнях 14 намотані котушки 15 первинної обмотки, з'єднані з джерелом змінного струму (на фігурах не показаний). Стрижні 14 і витки котушок 15 розташовані у взаімоперпендікулярних вертикальних площинах. У площині витків котушок 15 розташовані трубчасті елементи 16, виконані у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень 14 сердечника. Трубчасті елементи 16, що охоплюють крайні стрижні 14, мають по одному кінця, виконаному у вигляді прямолінійних ділянок 17, а трубчастий елемент 16, що охоплює середній стрижень 14, має обидва кінці, виконаних у вигляді прямолінійного ділянки 17. Лінійні ділянки 17 трубчастих елементів 16 розташовані в площині стрижнів 14. Кінці трубчастих елементів 16 з'єднані з колекторами 18. Колектори 18 забезпечені патрубками 19 і 20, призначеними відповідно для входу і виходу текучого середовища. Трубчасті елементи 16 разом з колекторами 18 утворюють навколо кожного зі стрижнів 14 замкнутий контур, в якому трубчасті елементи 16 розташовані по одну сторону від площини стрижнів 14. Кількість замкнутих контурів вторинної обмотки може варіюватися. Працює нагрівач подібно до вищеописаного.

Вищенаведені приклади не вичерпують можливі варіанти реалізації пропонованого нагрівача.

Таким чином, у порівнянні з відомими в пропонованому нагрівачі збільшується ККД перетворення електричної енергії в теплову, зменшуються габарити і витрата матеріалів як на теплообмінник, так наферомагнітний сердечник і на первинну обмотку, а й розширюється сфера застосування нагрівача за рахунок забезпечення можливості його використання в системах з природною циркуляцією нагрівається середовища.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Індукційний нагрівач текучих середовищ, що містить плоский феромагнітний сердечник зі стрижнями, на яких намотана первинна обмотка, сполучена з джерелом змінного струму, і індуктивно пов'язану з первинної обмоткою через сердечник електропровідну вторинну обмотку, що є теплообмінником для нагрівається текучого середовища і виконану з розташованих в площині витків первинної обмотки трубчастих елементів, кінці яких з'єднані колекторами, забезпеченими патрубками для входу і виходу нагрівається текучого середовища, при цьому трубчасті елементи разом з колекторами утворюють замкнуті контури навколо кожного зі стрижнів сердечника, що відрізняється тим, що трубчасті елементи виконані у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює щонайменше один зі стрижнів сердечника, а колектори виконані у вигляді паралельних стрижнів сердечника відрізків труб, при цьому стрижні сердечника і витки первинної обмотки розташовані у взаімоперпендікулярних вертикальних площинах.

2. Індукційний нагрівач текучих середовищ по п.1, що відрізняється тим, що трубчасті елементи виконані у вигляді полувітков S-подібної форми, кожен з яких охоплює два сусідніх стержня сердечника.

3. Індукційний нагрівач текучих середовищ по п.1, що відрізняється тим, що трубчасті елементи виконані у вигляді полувітков, кожен з яких охоплює тільки один відповідний йому стрижень сердечника, при цьому щонайменше у двох з трубчастих елементів один з кінців виконаний у вигляді прямолінійного відрізка, паралельного площині стрижнів сердечника.

4. Індукційний нагрівач текучих середовищ по п.3, що відрізняється тим, що щонайменше у одного з трубчастих елементів обидва кінці виконані у вигляді прямолінійних відрізків, паралельних площині стрижнів сердечника.

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