Индукционный нагреватель текучих сред

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД(71) Заявитель Учреждение образования Брестский государственный технический университет(72) Авторы Есавкин Вячеслав Иванович Есавкин Артур Эдуардович(73) Патентообладатель Учреждение образования Брестский государственный технический университет(57) 1. Индукционный нагреватель текучих сред, содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды и выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, снабженных патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды, отличающийся тем, что первичная обмотка выполнена на первом стержне ферромагнитного сердечника, а вторичная обмотка выполнена на втором стержне ферромагнитного сердечника из О-образных трубчатых элементов, снабженных патрубками и смонтированных в блок стяжными втулками коллекторов, продольные оси которых перпендикулярны продольным осям патрубков, а в местах их соединения имеются отверстия для прохода теплоносителя. 2. Индукционный нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что втулки коллекторов имеют внутреннюю резьбу для установки стяжных втулок с наружной резьбой, используемых при монтаже трубчатых элементов в блок, при этом в торцовых втулках с одной стороны коллекторов могут быть установлены заглушки, а с другой стороны - трубопроводы входа и выхода теплоносителя.(56) 1. Патент 2031551, МПК 05 6/10, 1995 (аналог). 2. Патент 2138137, МПК 05 6/10,24 1/10, 1999 (прототип). Полезная модель относится к области электротехники, а именно к индукционным нагревателям текучих сред, и может быть использована для нагрева воды и других текучих сред в системах с естественной и принудительной циркуляцией нагреваемой среды как в промышленных, так и в бытовых условиях. Известен индукционный нагреватель текучих сред, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из электропроводящей короткозамкнутой трубки,представляющей собой змеевик, внутри которого циркулирует нагреваемая текучая среда 1. Такой нагреватель обладает достаточно высокими энергетическими показателями - КПД и, однако плохое охлаждение первичной обмотки, которая закрыта витками вторичной обмотки, и необходимость размещения двух рядов трубок вторичной обмотки в межкатушечном пространстве при многофазном или многостержневом исполнении нагревателя приводят к повышению материалоемкости и габаритов нагревателя. Кроме того, высокое гидравлическое сопротивление теплообменника, выполненного в виде змеевика, затрудняет использование нагревателя в системах с естественной циркуляцией текучих сред. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является индукционный нагреватель текучих сред, содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды и выполненную из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, выполненных в виде полувитков -образной формы и снабженными патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды 2. Вышеописанный нагреватель также имеет ряд недостатков. Это обусловлено следующим. Во-первых, тем, что первичная обмотка закрыта теплообменником и плохо охлаждается. При нарушении герметичности теплообменника возможно попадание теплоносителя на первичную обмотку, это может вызвать короткое замыкание, что снижает надежность индукционного нагревателя. Во-вторых, сам теплообменник имеет сложную конструкцию, трудоемкую в изготовлении, с большим количеством поворотов (всего 16 поворотов на теплообменнике), что способствует повышению гидравлических сопротивлений текучей среды при ее движении в теплообменнике. В-третьих, установка вторичной обмотки по первичной сверху способствует увеличению габаритов индукционного нагревателя и,соответственно, расходу материалов. Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении КПД преобразования электрической энергии в тепловую, уменьшении материалоемкости и габаритов индукционного нагревателя при одновременном расширении области его применения за счет обеспечения возможности его использования в системах с естественной циркуляцией текучей среды, а также в улучшении охлаждения первичной обмотки, упрощении конструкции теплообменника и снижении гидравлического сопротивления текучей среды в теплообменнике и повышении надежности при эксплуатации. Технический результат достигается тем, что в индукционном нагревателе текучих сред, содержащем плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку,являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, первичная обмотка выполнена на первом стержне ферромагнитного сердечника, а вторичная обмотка выполнена на втором стержне ферромагнитного сердечника из О-образных трубчатых элементов,снабженных патрубками и смонтированных в блок стяжными втулками коллекторов, продольные оси которых перпендикулярны продольным осям патрубков, а в местах их соединения имеются отверстия для прохода теплоносителя. 2 98812014.02.28 Втулки коллекторов имеют внутреннюю резьбу для установки стяжных втулок с наружной резьбой, используемых при монтаже трубчатых элементов в блок, при этом в торцовых втулках с одной стороны коллекторов могут быть установлены заглушки, а с другой стороны трубопроводы входа и выхода теплоносителя. Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 дан общий вид заявляемого нагревателя. На фиг. 2 - поперечное сечение по А-А, стрелочками показано направление движения теплоносителя. Обозначения 1 - стержень плоского ферромагнитного сердечника 2 - катушка первичной обмотки 3 - О-образный трубчатый элемент 4 - зона контакта концов трубчатого элемента (наружные поверхности трубчатого элемента свариваются или обжимаются хомутом в зоне контакта) 5 - входной патрубок 6 - выходной патрубок 7 - втулки выходного коллектора 8 - втулки входного коллектора 9 - заглушка 10 - входной трубопровод 11 - выходной трубопровод 12 - плоский ферромагнитный сердечник 13 - стяжные втулки 14 - герметизирующие прокладки. В примере реализации, приведенном на фиг. 1, однофазный индукционный нагреватель текучих сред содержит плоский сердечник 12 из ферромагнитного материала с двумя стержнями 1. На стержнях 1 намотаны катушки 2 первичной обмотки, соединенные с источником переменного тока (на фигурах не показан). Стержни 1 и витки катушек 2 первичной обмотки расположены во взаимо-перпендикулярных вертикальных плоскостях. Вторичная обмотка, являющаяся теплообменником, выполнена из трубчатых элементов 3 в виде О-образных витков, каждый из которых охватывает стержень 1. Трубчатые элементы 3 расположены в плоскости витков катушки первичной обмотки и снабжены патрубками 5 и 6, предназначенными, соответственно для входа и выхода текучей среды. Трубчатые элементы 3 образуют вокруг стержня 1 замкнутый контур, в котором трубчатый элемент ориентирован в вертикальном направлении. Количество таких замкнутых контуров в теплообменнике может варьироваться и зависит от конкретной решаемой задачи. Для образования замкнутого контура в зоне 4 концы трубчатого элемента 3 соединяются по наружной поверхности сваркой или хомутом. В случае когда используются несколько замкнутых контуров, то на входной патрубок 5 и выходной 6 устанавливают втулки, выходного коллектора 7 и входного 8, продольные оси которых перпендикулярны к продольным осям патрубков 5 и 6. Втулки имеют внутреннюю резьбу и отверстия для прохода теплоносителя, расположенные в стыке с патрубками. Сборка теплообменника в блок (из нескольких контуров) осуществляется при помощи стяжных втулок, имеющих наружную резьбу с установкой герметизирующих прокладок между торцами коллекторных втулок (сборка блока аналогична сборке секций радиаторов отопления). С целью снижения трудозатрат на изготовление О-образные трубчатые элементы могут быть изготовлены отливкой вместе с патрубками 5, 6 и втулками коллекторов 7 и 8,или изготовлены сваркой из отдельных деталей. Нагреватель работает следующим образом. При включении первичной обмотки 2 в сеть переменного тока в ферромагнитном сердечнике создается переменный магнитный поток, с которым индуктивно связан замкнутый контур, образованный трубчатыми элементами 3. В трубчатых элементах 3 индуцируются токи, вызывающие равномерный нагрев всех поверхностей трубчатых элементов 3. Тепло от всех нагретых поверхностей передается текучей среде, поступающей в теплообменник через входной патрубок 5 и вытекающей через выходной патрубок 6. Малое гидравлическое сопротивление теплообменника обеспечивается за счет параллельного расположения трубчатых элементов 3, а вертикальная ориентация трубчатых элементов 3 способствуют созданию гравитационного напора, достаточного для обеспечения самоциркуляции нагреваемой текучей среды. Таким образом, по сравнению с известными, в предлагаемом нагревателе увеличивается КПД преобразования электрической энергии в тепловую, уменьшаются габариты и расход материалов как на теплообменник, так на ферромагнитный сердечник и на первичную обмотку, а также расширяется область применения нагревателя за счет обеспечения возможности его использования в системах с естественной циркуляцией нагреваемой среды. 3 98812014.02.28 В предлагаемом индукционном нагревателе текучих сред благодаря выполнению трубчатых элементов в виде витков О-образной формы, каждый из которых охватывает один стержень сердечника, и расположению стержней сердечника и витков первичной обмотки во взаимно-перпендикулярных вертикальных плоскостях, создается оптимальная пространственная конфигурация теплообменника трубчатые элементы вторичной обмотки располагаются в окнах сердечника в один ряд, теплообменник практически не препятствует охлаждению первичной обмотки, а все поверхности теплообменника расположены одинаково относительно магнитного потока, создаваемого первичной обмоткой, и нагреваются индуцированными токами равномерно, что позволяет уменьшить материалоемкость и габариты нагревателя и повысить КПД преобразования электрической энергии в тепловую. Кроме того, при такой конфигурации теплообменника обеспечивается одинаковая скорость обтекания текучей средой всех теплоотдающих поверхностей трубчатых элементов, поскольку гидравлическое сопротивление каждого участка теплообменника одинаково по отношению к входному и выходному патрубкам, что также увеличивает интенсивность теплообмена и повышает КПД. К тому же при такой конфигурации замкнутого контура вторичной обмотки и при расположении стержней сердечника и витков первичной обмотки во взаимно-перпендикулярных вертикальных плоскостях обеспечивается вертикальная ориентация замкнутого контура, способствующая созданию гравитационного теплового напора, что позволяет использовать нагреватель в системах с естественной циркуляцией текучей среды и расширяет область его применения. Малое гидравлическое сопротивление движению теплообменника обеспечивается еще и тем, что все каналы в нем расположены параллельно, а количество поворотов по предлагаемому варианту с О-образными витками составляет 6 на один трубчатый элемент (в прототипе 16). Выполнение трубчатых элементов в виде витков О-образной формы, способствует тому, что все элементарные проводники, условно выделенные на поверхности теплообменника по линии протекания токов, имеют одинаковую длину и находятся практически в одинаковых условиях по отношению к магнитному полю первичной обмотки, в результате чего повышается равномерность загрузки сечения трубок теплообменника индуцированным током, а следовательно, равномерность нагрева поверхностей теплообменника. Расположение теплообменника на нижнем сердечнике исключает попадание теплоносителя на первичную обмотку, что повышает его надежность. Изготовление каждого витка О-образной формы способствует снижению трудозатрат при изготовлении секций теплообменника, которые могут быть изготовлены или отливкой или сваркой. В собранном блоке теплообменника количество секций может варьироваться в зависимости от величины требуемой мощности индукционного нагревателя, что способствует расширению его технических возможностей. Фиг. 2 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4