MD1617Z

MD1617Z - Inductive heater

Info

Publication number: MD1617Z
Application number: MDS20200005A
Authority: MD
Inventors: Адриан ЦУРКАНУ
Original assignee: Адриан ЦУРКАНУ
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2022-11-30
Also published as: MD1617Y; MDS20200005U2

Abstract

The invention refers to electrotechnical devices for converting electrical energy into thermal energy in hydraulic systems in order to increase the temperature of fluids, in particular to inductive heaters, and can be used as a continuous-flow heater with high energy efficiency in technological systems and installations in which the fluid is imposed specific technical characteristics with their precise maintenance and regulation.The inductive heater, according to the invention, comprises a body (2) with covers (1), inside which is placed an inductance coil (8), consisting of seven turns of a copper tube, wound on a core of ferromagnetic material, consisting of an outer cylinder (7) and an inner cylinder (5). On the outer surface of the inner cylinder (5) are made notches, with the formation during the assembly of the cylinders (7 and 5) of a heated liquid flow channel (6). The inductance coil (8) is isolated from the core by means of an insulating element (4). On the outer side of the inductance coil (8) are placed sheets of electrotechnical steel (9), kept away from the inductance coil (8) by means of shields (3).

Description

Invenţia se referă la dispozitivele electrotehnice pentru conversia energiei electrice în energie termică în sisteme hidraulice pentru majorarea temperaturii fluidelor, în special la încălzitoare inductive, şi poate fi utilizată în calitate de încălzitor în flux continuu cu eficienţă energetică înaltă în sistemele şi instalaţiile tehnologice, în care fluidului i se impun caracteristici tehnice specifice cu menţinerea şi reglarea exactă a acestora. The invention relates to electrotechnical devices for converting electrical energy into thermal energy in hydraulic systems for increasing the temperature of fluids, especially in induction heaters, and can be used as a continuous flow heater with high energy efficiency in technological systems and installations, in which specific technical characteristics are required of the fluid with their precise maintenance and regulation.

Este cunoscut un boiler cu încălzitor rezistiv, funcţionarea căruia este bazată pe efectul Joule-Lentz, care se produce la încălzirea fluidelor, în special a apei, de la temperatura de 10°C până la temperatura de circa 95°C (în cazul preparării băuturilor pe bază de cafea naturală). Acest boiler conţine un corp, un rezervor pentru apă supusă încălzirii, executat din două jumătăţi din aluminiu, totodată în interiorul rezervorului sunt executate tăieturi, cu formarea unui canal în formă de serpentină pentru curgerea apei încălzite, cu diametrul de circa 3…4 mm şi lungimea de 900…1000 mm. În calitate de sursă de energie, din partea exterioară a rezervorului este montat încălzitorul rezistiv cu puterea nominală de 1090 W. Pentru a aduce la regimul de lucru nominal şi, totodată a asigura stabilitatea proceselor termice şi electromecanice, rezervorul este executat din material cu coeficientul de conductivitate termică înalt, în acelaşi timp, având în vedere căldura masică a materialului respectiv, pereţii rezervorului sunt executaţi cu o grosime sporită, şi respectiv cu o masă mai mare, pentru a asigura entalpia apei, suficientă pentru funcţionarea boilerului doar cu un încălzitor rezistiv cu puterea nominală de 1090 W [1]. A boiler with a resistive heater is known, the operation of which is based on the Joule-Lentz effect, which occurs when heating fluids, especially water, from a temperature of 10°C to a temperature of about 95°C (in the case of preparing natural coffee-based drinks). This boiler contains a body, a tank for water to be heated, made of two aluminum halves, while cuts are made inside the tank, forming a serpentine-shaped channel for the flow of heated water, with a diameter of about 3…4 mm and a length of 900…1000 mm. As an energy source, the resistive heater with a nominal power of 1090 W is mounted on the outside of the tank. In order to bring it to the nominal operating mode and, at the same time, ensure the stability of thermal and electromechanical processes, the tank is made of a material with a high thermal conductivity coefficient, at the same time, taking into account the specific heat of the respective material, the tank walls are made with an increased thickness, and respectively with a larger mass, to ensure the water enthalpy, sufficient for the boiler to operate with only a resistive heater with a nominal power of 1090 W [1].

Dezavantajele soluţiei tehnice cunoscute constau în necesitatea timpului pentru preîncălzire a rezervorului boilerului până la temperatura de circa 95°C (în cazul preparării băuturilor pe bază de cafea naturală), şi nesiguranţa cuplajului mecanic între încălzitorul rezistiv şi rezervorul boilerului, ce are un impact negativ asupra procesului de transfer termic între aceste două elemente, ce conduce la mărirea atât a timpului pentru preîncălzire, cât şi la pierderi de energie în întregul proces. The disadvantages of the known technical solution consist in the time required to preheat the boiler tank to a temperature of about 95°C (in the case of preparing natural coffee-based beverages), and the insecurity of the mechanical coupling between the resistive heater and the boiler tank, which has a negative impact on the heat transfer process between these two elements, leading to an increase in both the preheating time and energy losses in the entire process.

Problema tehnică pe care o rezolvă prezenta invenţie constă în creşterea eficienţei energetice a încălzitorului prin diminuarea consumului de energie electrică. The technical problem solved by the present invention consists in increasing the energy efficiency of the heater by reducing the consumption of electrical energy.

Problema se soluţionează prin aceea că încălzitorul inductiv conţine un corp cu capace cu orificii pentru debitarea şi evacuarea fluidului, în interiorul căruia este amplasată o bobină de inductanţă, care constă din şapte spire ale unui tub de cupru, distanţate una faţă de cealaltă şi înfăşurate pe un miez din material feromagnetic, care constă dintr-un cilindru exterior şi un cilindru interior. Pe suprafaţa exterioară a cilindrului interior sunt executate tăieturi de o formă şi lungime determinată, cu formarea la asamblarea cilindrilor, a unui canal pentru curgerea fluidului încălzit. Bobina de inductanţă este izolată de la miez prin intermediul unui element izolator. Din partea exterioară a bobinei de inductanţă sunt amplasate tole de oţel electrotehnic, menţinute distanţat de la bobina de inductanţă prin intermediul unor scuturi cu orificii. The problem is solved by the fact that the inductive heater contains a body with covers with holes for the flow and evacuation of the fluid, inside which an inductance coil is placed, which consists of seven turns of a copper tube, spaced apart from each other and wound on a core of ferromagnetic material, which consists of an outer cylinder and an inner cylinder. On the outer surface of the inner cylinder, cuts of a determined shape and length are made, with the formation of a channel for the flow of the heated fluid when the cylinders are assembled. The inductance coil is insulated from the core by means of an insulating element. On the outer side of the inductance coil, sheets of electrical steel are placed, kept at a distance from the inductance coil by means of shields with holes.

Rezultatul tehnic obţinut cu ajutorul invenţiei revendicate constă în reducerea timpului pentru preîncălzirea încălzitorului cu peste 95%, şi eliminarea pierderilor de energie în transferul termic de la elementul de încălzit şi corpul încălzitorului, rezultând în diminuarea consumului total de energie electrică cu 60%. The technical result obtained with the claimed invention consists in reducing the time for preheating the heater by over 95%, and eliminating energy losses in the heat transfer from the heating element and the heater body, resulting in reducing the total electricity consumption by 60%.

Avantajele invenţiei constau în următoarele. The advantages of the invention consist of the following.

În încălzitorul inductiv revendicat este sporită eficienţa energetică datorită principiului pe care este bazat procesul de conversie a energiei electrice în energie termică - inducţia magnetică. Acest proces de conversie are loc direct în miezul din material feromagnetic al încălzitorului inductiv, care constă din cilindrul exterior şi cilindrul interior (reprezentând o piesă de lucru), pe suprafaţa exterioară a cilindrului interior fiind executate tăieturi, cu formarea la asamblarea cilindrilor, a canalului pentru curgerea fluidului încălzit. Sursa de energie pentru realizarea transferului de căldură de la piesa de lucru spre fluid o constituie fluxul termic, produs de curenţii induşi în piesa de lucru de câmpul magnetic variabil, generat de înfăşurările bobinei de inductanţă, parametrii căreia sunt determinaţi pentru trecerea curentului electric de 200 A cu frecvenţa de circa 70 kHz. Pentru asigurarea debitului şi a temperaturii fluidului încălzit mult mai mari decât cele determinate, cât în regimul de generare de apă fierbinte cu temperatura de circa 90°C, atât şi în regimul de generare de abur cu temperatura de 120°C, bobina de inductanţă poate fi răcită forţat prin pomparea unui agent caloportor în tubul de cupru, asfel asigurând stabilitatea încălzitorului. Pentru evitarea scurtcircuitelor bobina de inductanţă este izolată de la miez prin intermediul elementului izolator cu rezistenţă termică înaltă, iar spirele bobinei sunt distanţate una faţă de cealaltă. Pentru diminuarea pierderilor câmpului magnetic din partea exterioară a bobinei de inductanţă sunt amplasate tolele de oţel electrotehnic, menţinute distanţat de la bobina de inductanţă prin intermediul scuturilor, care poziţionează atât componentele circuitului magnetic, cât şi miezul. Pentru descreşterea pierderilor de căldură în mediul înconjurător încălzitorul inductiv conţine un corp cu capace, realizate dintr-un material cu o rezistenţă termică ridicată şi conductivitate termică joasă. In the claimed induction heater, energy efficiency is increased due to the principle on which the process of converting electrical energy into thermal energy is based - magnetic induction. This conversion process takes place directly in the core of the ferromagnetic material of the induction heater, which consists of the outer cylinder and the inner cylinder (representing a workpiece), on the outer surface of the inner cylinder being made cuts, with the formation of the channel for the flow of the heated fluid when the cylinders are assembled. The energy source for achieving heat transfer from the workpiece to the fluid is the thermal flux, produced by the currents induced in the workpiece by the variable magnetic field, generated by the windings of the inductance coil, the parameters of which are determined for the passage of an electric current of 200 A with a frequency of about 70 kHz. To ensure the flow rate and temperature of the heated fluid much higher than those determined, both in the hot water generation regime with a temperature of about 90°C and in the steam generation regime with a temperature of 120°C, the inductance coil can be forcedly cooled by pumping a heat transfer agent into the copper tube, thus ensuring the stability of the heater. To avoid short circuits, the inductance coil is insulated from the core by means of an insulating element with high thermal resistance, and the coil turns are spaced apart from each other. To reduce the magnetic field losses on the outside of the inductance coil, electrical steel sheets are placed, kept at a distance from the inductance coil by means of shields, which position both the magnetic circuit components and the core. To reduce heat loss to the environment, the induction heater contains a body with covers, made of a material with high thermal resistance and low thermal conductivity.

Invenţia se explică prin desenele din fig. 1 - 3, care reprezintă: The invention is explained by the drawings in Fig. 1 - 3, which represent:

- fig. 1, încălzitorul inductiv dezasamblat, vederea generală; - Fig. 1, disassembled induction heater, general view;

- fig. 2, încălzitorul inductiv asamblat; - Fig. 2, the assembled induction heater;

- fig. 3, încălzitorul inductiv, canalul pentru curgerea fluidului încălzit. - Fig. 3, the inductive heater, the channel for the flow of the heated fluid.

Încălzitorul inductiv (fig. 1-3) conţine corpul 2 cu capacele 1 cu orificii pentru debitarea şi evacuarea fluidului, în interiorul căruia este amplasată bobina de inductanţă 8, care constă din şapte spire ale unui tub de cupru, distanţate una faţă de cealaltă şi înfăşurate pe miezul din material feromagnetic, care constă din cilindrul exterior 7 şi cilindrul interior 5, pe suprafaţa exterioară a căruia sunt executate tăieturi de o formă şi lungime determinată, cu formarea la asamblarea cilindrilor 7 şi 5, a canalului 6 pentru curgerea fluidului încălzit. Bobina de inductanţă 8 este izolată de la miez prin intermediul elementului izolator 4, iar din partea exterioară a bobinei de inductanţă 8 sunt amplasate tolele de oţel electrotehnic 9, menţinute distanţat de la bobina de inductanţă 8 prin intermediul scuturilor 3 cu orificii. The induction heater (fig. 1-3) contains the body 2 with the covers 1 with holes for the flow and evacuation of the fluid, inside which the inductance coil 8 is located, which consists of seven turns of a copper tube, spaced apart from each other and wound on the core made of ferromagnetic material, which consists of the outer cylinder 7 and the inner cylinder 5, on the outer surface of which cuts of a determined shape and length are made, with the formation of the channel 6 for the flow of the heated fluid when the cylinders 7 and 5 are assembled. The inductance coil 8 is insulated from the core by means of the insulating element 4, and on the outer side of the inductance coil 8 are located the sheets of electrical steel 9, kept at a distance from the inductance coil 8 by means of shields 3 with holes.

Dispozitivul funcţionează în modul următor. The device operates in the following mode.

În calitate de exemplu de realizare a invenţiei serveşte încălzitorul inductiv de apă pentru băuturi fierbinţi necesar să asigure o temperatură a apei de 95°C. As an example of the embodiment of the invention, the inductive water heater for hot drinks required to provide a water temperature of 95°C serves.

Încălzitorul inductiv se conectează la reţeaua de alimentare cu energie electrică cu 7,5 secunde înainte de procesul de prelevare a apei fierbinţi necesare - timpul suficient pentru procesul de preîncălzire a încălzitorului inductiv, pe parcursul căruia prin bobina de inductanţă 8 trece curentul electric de 200 A cu frecvenţa de 70 kHz. După atingerea temperaturii de lucru de 105°C a miezului încălzitorului, reglat de un senzor de temperatură şi un controler de tip PI, necesar pentru trecerea încălzitorului în regim staţionar de funcţionare, curentul de alimentare a bobinei de inductanţă 8 scade în jumătate, iar frecvenţa se menţine constantă. Fluxul de apă se debitează în încălzitor prin orificiul pentru debitare, executat în capacul 1, şi orificiul în scutul 3 în partea inferioară a încălzitorului, apoi ajungând în canalul 6, format între cilindrul exterior 7 şi cilindrul interior 5, î-şi schimbă direcţia şi se divizează în două fluxuri orientate în direcţii opuse, care se mişcă de-a lungul canalului 6. Fluxul de apă, care circulă cu debitul de 100 ml/min, având temperatura la intrare în încălzitor de 10°C, ajunge în partea superioară a încălzitorului, şi ieşind din miezul încălzitorului prin orificiul în scutul 3, atinge temperatura de 95°C. Sporirea eficienţei transferului termic este asigurată prin diminuarea pierderilor fluxului magnetic prin utilizarea tolelor 3 şi asigurarea protecţiei termice a încălzitorului prin intermediul corpului 2 cu capacele 1. The induction heater is connected to the power supply 7.5 seconds before the required hot water is drawn off - enough time for the induction heater to preheat, during which an electric current of 200 A with a frequency of 70 kHz passes through the inductance coil 8. After reaching the operating temperature of 105°C of the heater core, regulated by a temperature sensor and a PI controller, which is necessary for the heater to enter a steady-state operating mode, the supply current of the inductance coil 8 is halved, and the frequency remains constant. The water flow is discharged into the heater through the discharge hole, made in the cover 1, and the hole in the shield 3 in the lower part of the heater, then reaching the channel 6, formed between the outer cylinder 7 and the inner cylinder 5, changes its direction and divides into two flows oriented in opposite directions, which move along the channel 6. The water flow, which circulates with a flow rate of 100 ml/min, having a temperature at the entrance to the heater of 10°C, reaches the upper part of the heater, and exiting the heater core through the hole in the shield 3, reaches a temperature of 95°C. Increasing the efficiency of heat transfer is ensured by reducing magnetic flux losses by using sheets 3 and ensuring thermal protection of the heater by means of the body 2 with covers 1.

1. Royal digital plus, Saeco, Service manual, Saeco International Group, SEPT.: 2003, 22 p. [regăsit la 2021.12.15]. Găsit pe Internet <https://www.commentreparer.com/doc/13908/SAECO-ROYAL-service-manual.pdf> 1. Royal digital plus, Saeco, Service manual, Saeco International Group, SEPT.: 2003, 22 p. [retrieved 2021.12.15]. Found on the Internet <https://www.commentreparer.com/doc/13908/SAECO-ROYAL-service-manual.pdf>

Claims

Inductive heater, which contains a body (2) with covers (1) with holes for the flow and evacuation of the fluid, inside which an inductance coil (8) is placed, which consists of seven turns of a copper tube, spaced apart from each other and wound on a core made of ferromagnetic material, which consists of an outer cylinder (7) and an inner cylinder (5), on the outer surface of which cuts of a determined shape and length are made, with the formation, when assembling the cylinders (7 and 5), of a channel (6) for the flow of the heated fluid, at the same time the inductance coil (8) is insulated from the core by means of an insulating element (4), and on the outer side of the inductance coil (8) are placed sheets of electrical steel (9), kept at a distance from the inductance coil (8) by means of shields (3) with holes.