RU2018061C1

RU2018061C1 - Fluid electric heater

Info

Publication number: RU2018061C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Стрелков; В.И. Лепехин
Original assignee: Стрелков Владимир Иванович
Priority date: 1991-12-05
Filing date: 1991-12-05
Publication date: 1994-08-15

Abstract

FIELD: thermal engineering. SUBSTANCE: heater is made from an inductor fastened on pipeline 1 (steel) and made in the form of at least three inductance coils 4, 5 and 6. First and second coils 4 and 5 respectively of the inductor are located in series on pipeline 1, third coil 6 embraces second coil 5 from the outside. The inductor is positioned in insulating shroud 2 fastened to pipeline 1 by clamps 7. Moreover, the inductor has a power supply device which, in turn, has power and control units 9, 10. The fluid is heated by heat released in pipeline 1, the heat occurs when Foucault currents are initiated in pipeline 1 due to a rapidly alternating current in inductance coils 4, 5, 6. The inductor (coils $, 5, 6) is controlled by an electric structural circuit enclosed in body 8. EFFECT: improved life cycle, electrical safety and reduced electric power consumption. 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам нагрева текучих сред и может быть использовано для нагрева жидкостей и газов, в быту для нагрева воды. The invention relates to a device for heating fluids and can be used for heating liquids and gases, in everyday life for heating water.

В настоящее время нагрев воды для технологических, хозяйственных и санитарно-гигиенических нужд производят электронагревателями. Как правило, конструкции электронагревателей, используемых для вышеперечисленных целей, идентичны. Currently, water heating for technological, economic and sanitary-hygienic needs is carried out by electric heaters. As a rule, the designs of electric heaters used for the above purposes are identical.

Известен электронагреватель текучей среды, содержащий корпус с крышкой и днищем. В нижней и верхней частях корпуса выполнены отверстия соответственно для подачи и отвода воды, подлежащей нагреву. Внутри корпуса, в нижней его части расположены электронагревательные элементы ТЭНы. Вода, поступающая в корпус электронагревателя, при контакте с ТЭНами нагревается до заданной температуры. Нагретая вода отводится через верхнее отверстие (1). Known electric heater fluid containing a housing with a cover and a bottom. In the lower and upper parts of the housing, holes are made respectively for supplying and discharging water to be heated. Inside the case, in its lower part there are electric heating elements. The water entering the electric heater body, when in contact with the heating elements, is heated to a predetermined temperature. Heated water is discharged through the upper hole (1).

Основным недостатком электронагревателя является быстрый выход из строя ТЭНов из-за образования на них накипи, что наиболее сильно проявляется при использовании воды значительной минерализации, так называемой "жесткой" воды. Для избежания накипи на ТЭНах используют предварительно подготовленную воду, однако такую воду возможно использовать только в системах замкнутой циркуляции воды, например, в системах отопления и невозможно использовать в открытых системах. The main disadvantage of the electric heater is the rapid failure of the heating elements due to the formation of scale on them, which is most pronounced when using water of significant salinity, the so-called "hard" water. To avoid scale on the heating elements, pre-prepared water is used, however, such water can only be used in closed water circulation systems, for example, in heating systems and cannot be used in open systems.

Известен электронагреватель текучей среды, содержащий спираль омического элемента в самой нагреваемой среде (2). Known electric fluid heater containing a coil of an ohmic element in the most heated medium (2).

Однако такой электронагреватель непригоден для нагрева электропроводной или воспламеняющейся жидкости. However, such an electric heater is unsuitable for heating an electrically conductive or flammable liquid.

Известен проточный индукционный электронагреватель, содержащий трубопровод, по которому проходит текучая среда (жидкость, газ), снабженный помещенной в электроизолированный наружный кожух электрической спиралью (индуктором), подключенной к источнику тока (3). A flow-through induction electric heater is known, comprising a pipeline through which a fluid (liquid, gas) passes, equipped with an electric spiral (inductor) placed in an electrically insulated outer casing connected to a current source (3).

Данный электронагреватель принят в качестве прототипа. Известный электронагреватель прост в изготовлении, однако его надежность и электробезопасность при работе малы из-за отсутствия средств автоматизации работы, невозможности регулирования температуры нагрева текучей среды. This electric heater is adopted as a prototype. The known electric heater is simple to manufacture, however, its reliability and electrical safety during operation are small due to the lack of automation tools, the inability to control the temperature of the heating fluid.

Цель - повышение удобств при эксплуатации и электробезопасности. The goal is to improve operational comfort and electrical safety.

Для этого электронагреватель текучей среды, содержащий трубопровод, охваченный закрепленным на нем индуктором, помещенным в электроизолированный наружный кожух и подключенным к источнику тока, дополнительно содержит средство для управления питанием индуктора. Индуктор электронагревателя выполнен по меньшей мере из трех катушек индуктивностей. For this, a fluid electric heater comprising a conduit enclosed by an inductor mounted on it, placed in an electrically insulated outer casing and connected to a current source, further comprises means for controlling the inductor power. The electric heater inductor is made of at least three inductors.

Кроме того, указанные первая и вторая катушки индуктора расположены последовательно на трубопроводе, а третья катушка охватывает вторую катушку с внешней стороны. При этом кожух индуктора может быть закреплен на трубопроводе, например, с помощью хомутов. In addition, these first and second coils of the inductor are arranged in series on the pipeline, and the third coil covers the second coil from the outside. In this case, the casing of the inductor can be fixed to the pipeline, for example, using clamps.

Кроме того, указанное средство для управления питанием индуктора состоит из подключенных параллельно к источнику тока силовой и управляющей частей. Средство для управления питанием индуктора помещено в корпус, скрепленный с кожухом индуктора. In addition, the indicated means for controlling the power of the inductor consists of power and control parts connected in parallel to the current source. Means for controlling the power of the inductor is placed in a housing fastened to the casing of the inductor.

Силовая часть включает в себя контуры накачки и демпфирования, первый из них состоит из источника питания, последовательно через ключ соединенного с первой катушкой индуктивности, последняя параллельно соединена с первым фильтрующим конденсатором. Контур демпфирования состоит из второй катушки индуктивности, начало которой соединено с анодом клиппирующего диода, катод которого соединен с первыми концами второго фильтрующего конденсатора и резистора, вторые концы которых соединены с концом второй катушки индуктивности, и ключа, соединенного с началом второй катушки индуктивности. The power part includes pump and damping circuits, the first of which consists of a power source connected in series through a key to the first inductor, the last connected in parallel to the first filtering capacitor. The damping circuit consists of a second inductor, the beginning of which is connected to the anode of the clipping diode, the cathode of which is connected to the first ends of the second filtering capacitor and resistor, the second ends of which are connected to the end of the second inductor, and a key connected to the beginning of the second inductor.

Управляющая часть состоит из подключенных параллельно к своему источнику питания автоматического выключателя, снабженного датчиком температуры, и блокинг-генератора, а также задающего генератора, подключенного к этому же источнику питания через автоматический выключатель. Кроме того, источник питания силовой части может быть традиционного типа, например мостовой, а источник питания управляющей части состоит из последовательно соединенных третьей катушки индуктивности и выпрямителя, в свою очередь, параллельно соединенных с третьим фильтрующим конденсатором и зарядным резистором. The control part consists of a circuit breaker connected in parallel to its power supply, equipped with a temperature sensor, and a blocking generator, as well as a master oscillator connected to the same power source through the circuit breaker. In addition, the power supply of the power part can be of a traditional type, for example, a bridge, and the power supply of the control part consists of a third inductance coil and a rectifier connected in series, in turn, connected in parallel with a third filtering capacitor and a charging resistor.

Кроме того, датчик температуры автоматического выключателя управляющей части размещен в электроизоляционном кожухе индуктора, преимущественно после второй катушки индуктивности. В качестве датчика температуры использован терморезистор. In addition, the temperature sensor of the circuit breaker of the control part is located in the insulating casing of the inductor, mainly after the second inductor. As a temperature sensor, a thermistor is used.

Для увеличения мощности электронагревателя текучей среды параллельно источнику питания силовой части может быть подключено еще две катушки индуктивностей. To increase the power of the fluid electric heater, two more inductors can be connected in parallel with the power source of the power unit.

Таким образом, все существенные признаки, характеризующие электронагреватель текучей среды, а также отличительные от прототипа, а именно наличие указанным выше образом выполненных индуктора и средства для управления питанием последнего, датчика температуры, позволяют удобно и безопасно его эксплуатировать, что также может продлить его ресурс, получать потребителю среду, нагретую до заданной температуры, экономно расходовать электроэнергию. Thus, all the essential features characterizing the electric heater of the fluid, as well as distinctive from the prototype, namely the presence of the inductor and means for controlling the power of the latter, the temperature sensor, in the above manner, allow it to be conveniently and safely operated, which can also extend its life, receive consumer medium heated to a predetermined temperature, economically consume electricity.

На фиг.1 изображен электронагреватель текучей среды, общий вид; на фиг. 2 - то же, без электроизоляционного кожуха и передней стенки корпуса; на фиг.3 - электрическая структурная схема электронагревателя текучей среды. Figure 1 shows an electric heater fluid, General view; in FIG. 2 - the same, without an electrical insulating casing and the front wall of the housing; figure 3 is an electrical block diagram of an electric heater fluid.

Электронагреватель текучей среды содержит трубопровод 1 (стальной), по которому проходит подлежащая нагреву текучая среда (газ, жидкость). Стрелками показано направление движения среды. Трубопровод 1 охвачен индуктором, помещенным в электроизоляционный наружный кожух 2 и подключенным к источнику тока 3 (фиг.3). Индуктор выполнен по меньшей мере из трех катушек индуктивностей 4,5,6. Первая и вторая катушки индуктивностей 4,5 индуктора расположены последовательно на трубопроводе 1, а третья катушка индуктивности 6 охватывает вторую катушку индуктивности 5 с внешней стороны. Кожух 2 индуктора закреплен на трубопроводе 1 с помощью хомутов 7 или другим известным средством (бандаж). Хомуты 7 в данном варианте исполнения крепят к кожуху 2 корпус 8 средства для управления питанием индуктора. The electric heater of the fluid contains a pipe 1 (steel), through which passes the fluid to be heated (gas, liquid). Arrows indicate the direction of movement of the medium. The pipeline 1 is covered by an inductor placed in an insulating outer casing 2 and connected to a current source 3 (figure 3). The inductor is made of at least three inductors 4,5,6. The first and second inductors 4.5 inductors 4.5 are arranged in series on the pipe 1, and the third inductor 6 covers the second inductor 5 from the outside. The casing 2 of the inductor is mounted on the pipeline 1 using the clamps 7 or other known means (bandage). The clamps 7 in this embodiment are attached to the casing 2 of the housing 8 of the means for controlling the power of the inductor.

Средство для управления питанием индуктора состоит из параллельно подключенных к источнику тока 3 силовой и управляющей частей 9, 10. В силовую часть 9 входят контуры накачки и демпфирования. Контур накачки состоит из источника питания 11 силовой части, последовательно соединенного с первой катушкой индуктивности 4, которая параллельно соединена с первым фильтрующим конденсатором 12. Контур демпфирования состоит из второй катушки индуктивности 5, начало которой соединено с ключом 13 и анодом клиппирующего диода 14, катод которого соединен с первыми концами второго фильтрующего конденсатора 15 и резистора 16, вторые концы которых соединены с концом указанной второй катушки индуктивности 5. Means for controlling the power of the inductor consists of parallel to the current source 3 of the power and control parts 9, 10. The power part 9 includes pump and damping circuits. The pump circuit consists of a power source 11 of the power part connected in series with the first inductor 4, which is connected in parallel with the first filtering capacitor 12. The damping circuit consists of a second inductor 5, the beginning of which is connected to the key 13 and the anode of the clipping diode 14, the cathode of which connected to the first ends of the second filtering capacitor 15 and the resistor 16, the second ends of which are connected to the end of the specified second inductor 5.

Управляющая часть 10 состоит из подключенных параллельно к своему источнику питания 17 автоматического выключателя 18, снабженного датчиком температуры 19 (терморезистор), и блокинг-генератора 20, а также задающего генератора 21, подключенного к источнику питания 17 через автоматический выключатель 18. Источник питания 17 управляющей части 10 состоит из последовательно соединенных третьей катушки индуктивностей 6 и выпрямителя 22 (диода), в свою очередь, параллельно соединенных с третьим фильтрующим конденсатором 23 и зарядным резистором 24. Как уже указывалось, датчик температуры 19 размещен после второй катушки индуктивности 5 в кожухе 2 (фиг.2), что повышает точность воздействия на процесс управления индуктором. The control part 10 consists of a circuit breaker 18 connected in parallel to its power source 17, equipped with a temperature sensor 19 (thermistor), and a blocking generator 20, as well as a master oscillator 21, connected to the power source 17 through the circuit breaker 18. The power supply 17 of the control part 10 consists of a series-connected third inductor 6 and a rectifier 22 (diode), in turn, connected in parallel with the third filtering capacitor 23 and a charging resistor 24. As already it was indicated that the temperature sensor 19 is placed after the second inductor 5 in the casing 2 (figure 2), which increases the accuracy of the impact on the control process of the inductor.

При работе электронагревателя текучая среда (жидкость, газ) нагревается, проходя по стальному трубопроводу 1, выделяющимся в последнем теплом. Трубопровод 1 нагревается токами Фуко большой величины, возникающими в трубопроводе 1 от быстроизменяющегося по величине тока в катушках индуктивностей 4,5,6 индуктора, подключенного к источнику тока 3. Работой индуктора управляет электрическая блок-схема, заключенная в корпус 8, скрепленный хомутами 7 с кожухом 2 индуктора. During operation of the electric heater, the fluid (liquid, gas) is heated, passing through the steel pipe 1, released in the last heat. The pipeline 1 is heated by large Foucault currents arising in the pipeline 1 from the rapidly changing current in the inductance coils 4,5,6 of the inductor connected to the current source 3. The operation of the inductor is controlled by an electrical block diagram enclosed in the housing 8, fastened with clamps 7 s casing 2 inductor.

Датчик температуры 19, в качестве которого использован терморезистор, подает сигнал на автоматический выключатель 18 от температуре трубопровода 1. Датчик температуры 19 настроен на критическую температуру, величина которой выбрана из условия обеспечения работы кожуха 2 без разрушения. Одновременно датчик температуры 19 обеспечивает отключение индуктора от источника тока 3 при отсутствии текучей среды в трубопроводе 1. Сигналом для отключения служит превышение температуры трубопровода 1 выше критической. The temperature sensor 19, which is used as a thermistor, sends a signal to the circuit breaker 18 from the temperature of the pipe 1. The temperature sensor 19 is set to a critical temperature, the value of which is selected from the condition of ensuring the operation of the casing 2 without destruction. At the same time, the temperature sensor 19 ensures that the inductor is disconnected from the current source 3 in the absence of fluid in the pipe 1. The signal for the shutdown is the excess of the temperature of the pipe 1 above the critical temperature.

Питание силовой части 9 электрической схемы осуществляется от источника питания 11. Ключ 13 периодически замыкается, обеспечивая рост тока через катушку индуктивности 4 и подпитку контура накачки. При размыкании ключа 13 в контуре накачки возникают резонансные колебания тока, затухание которых определяется интенсивностью токов Фуко, возникающих в части стального трубопровода 1, расположенной непосредственно над катушкой индуктивности 4. Последовательный контур, образованный катушкой индуктивности 5 и первым конденсатором 12, препятствует аварийному нарастанию тока через ключ 13 в момент его замыкания. При размыкании ключа 13 клиппирующий диод 14 подключает второй конденсатор 15 к катушке индуктивности 5, при этом происходит резонансный заряд конденсатора 15 током, запасенным в катушке индуктивности 5 за период, когда ключ 13 был замкнут, что исключает скачкообразный аварийный бросок напряжения на ключе 13 в момент его размыкания. Резистор 16 служит для ускорения переходных процессов в демпфирующем контуре. The power of the power part 9 of the electric circuit is supplied from the power source 11. The key 13 is periodically closed, providing an increase in current through the inductor 4 and feeding the pump circuit. When the key 13 is opened, resonant current oscillations occur in the pump circuit, the damping of which is determined by the intensity of the Foucault currents arising in the part of the steel pipe 1 located directly above the inductor 4. The series circuit formed by the inductor 5 and the first capacitor 12 prevents the emergency increase of current through key 13 at the time of its closure. When the key 13 is opened, the clipping diode 14 connects the second capacitor 15 to the inductor 5, while the resonant charge of the capacitor 15 occurs with the current stored in the inductor 5 for the period when the key 13 was closed, which eliminates the abrupt emergency voltage surge on the key 13 at the time its opening. The resistor 16 serves to accelerate transients in the damping circuit.

Включением-отключением ключа 13 управляет блокинг-генератор 20, питающийся от источника питания 17 управляющей части и работающий в ждущем режиме. Блокинг-генератор 20 вырабатывает импульсы запуска при поступлении на него тактовых импульсов заданной частоты с задающего генератора 21. Задающий генератор 21 формирует тактовые импульсы только при поступлении на него питания от автоматического выключателя 18. Автоматический выключатель 18 подает питание на задающий генератор 21, когда напряжение на третьем фильтрующем конденсаторе 23 источника питания 17 управляющей части 10 достигло необходимого уровня и когда температура трубопровода 1, измеренная датчиком 19, ниже критической. The on-off key 13 controls the blocking generator 20, powered by a power source 17 of the control part and working in standby mode. The blocking generator 20 generates start pulses upon receipt of clock pulses of a given frequency from the master oscillator 21. The master oscillator 21 generates clock pulses only when it receives power from the circuit breaker 18. The circuit breaker 18 supplies power to the master oscillator 21 when the voltage is the third filtering capacitor 23 of the power source 17 of the control part 10 has reached the required level and when the temperature of the pipe 1, measured by the sensor 19, is below critical.

При выключенном задающем генераторе 21 заряд конденсатора 23 до необходимого уровня обеспечивается от источника питания 11 силовой части через зарядный резистор 24. После включения задающего генератора 21, блокинг-генератора 20 и ключа 13 индуктируемое в катушке 6 напряжение выпрямляется выпрямителем (диодом) 22 и подзаряжает конденсатор 23 источника питания 17 управляющей части, обеспечивая стабильную работу электрической структурной схемы и, следовательно, работу электронагревателя текучей среды. When the master oscillator 21 is turned off, the capacitor 23 is charged to the required level from the power supply 11 of the power unit through the charging resistor 24. After turning on the master oscillator 21, the blocking generator 20 and key 13, the voltage inducted in the coil 6 is rectified by a rectifier (diode) 22 and charges the capacitor 23 of the power source 17 of the control part, ensuring stable operation of the electrical structural circuit and, therefore, the operation of the electric heater fluid.

Таким образом, выполнение электронагревателя текучей среды согласно изобретению позволит повысить ресурс и электробезопасность, создать дополнительные удобства при эксплуатации, заключающиеся в быстром нагреве жидкости или газа до необходимой температуры. Данная конструкция исключает возможность работы электронагревателя без наличия текучей среды в трубопроводе. Электронагреватель текучей среды компактен, может быть установлен на любом прямом (горизонтальном, наклонном, вертикальном) участке трубопровода. Испытания опытного образца электронагревателя текучей среды, выполненного согласно изобретению, показали хорошие результаты. Thus, the implementation of the electric fluid heater according to the invention will increase the resource and electrical safety, create additional operational comforts consisting in the rapid heating of a liquid or gas to the required temperature. This design eliminates the possibility of operation of the electric heater without the presence of fluid in the pipeline. The fluid electric heater is compact, can be installed on any direct (horizontal, inclined, vertical) section of the pipeline. Tests of a prototype fluid electric heater made according to the invention showed good results.

Claims

1. ELECTRIC HEATER OF A FLUID MEDIUM, comprising a pipeline enclosed by an inductor mounted on it, placed in an electrical insulating casing and connected to a current source, characterized in that, in order to improve ease of use and electrical safety, it further comprises means for controlling the power of the inductor, the latter made of at least traction inductor coils.

2. An electric heater according to claim 1, characterized in that the first and second inductors are arranged in series on the pipeline, and the third coil covers the second coil from the outside.

3. An electric heater according to claim 1, characterized in that the inductor casing is fixed to the pipeline, for example by means of clamps.

4. The electric heater according to claim 1, characterized in that the means for controlling the power of the inductor is made up of power and control parts connected to the current source, the first of which consists of pump and damping circuits connected in series with the power source, while the pump circuit includes a first coil inductance parallel to the first filtering capacitor, the damping circuit includes a second inductor, the beginning of which is connected to the anode of the clipping diode, the cathode of which is inen with the first ends of the second filtering capacitor and resistor, and the second ends of the latter are connected to the end of the second inductor, as well as the key connected to the beginning of the second inductor, while the control part consists of a circuit breaker connected to its power source, equipped with a temperature sensor, a blocking generator and a master oscillator, the circuit breaker and the blocking generator being connected to the power source in parallel, and the master oscillator through automatically switch.

5. An electric heater according to claims 1 and 4, characterized in that the power source of the control part is made of a third inductance coil and a rectifier connected in series to a third filtering capacitor and a charging resistor.

6. An electric heater according to claims 1 and 4, characterized in that the temperature sensor is located in the insulating casing of the inductor.