RU2074529C1

RU2074529C1 - Induction electric heater for liquid

Info

Publication number: RU2074529C1
Application number: RU95104992A
Authority: RU
Inventors: А.И. Елшин; В.М. Казанский; Е.Д. Карманов
Original assignee: Елшин Анатолий Иванович
Priority date: 1995-04-04
Filing date: 1995-04-04
Publication date: 1997-02-27
Also published as: RU95104992A

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: induction electric heater has body and ferromagnetic many bars core transformer placed in it. Primary winding of transformer is three phases made and connected to alternative voltage power net. Secondary winding serves as heat exchanger and it is made like vessel with bottom input and top output pipes for pass through liquid heating. Vessel has vertical channels with electrically conducting walls for transformer core bars placing inn with insulating separation. EFFECT: higher efficiency factor, lower material expenditure. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для нагрева жидкости, в частности для электроотопления и горячего водоснабжения. The invention relates to electrical engineering and can be used for heating liquids, in particular for electric heating and hot water supply.

Индукционные нагреватели жидкости известны давно, например "сосуд, который использует для индукционного нагрева жидкости железный сердечник трансформатора" (патент Германии N 329131, кл. 21 Н, группа 3 с приоритетом от 22 января 1918 г.), не получивший практического применения из-за большой удельной материалоемкости и низких энергетических показателей (КПД преобразования электроэнергии в тепловую и коэффициента мощности cosΦ). Induction fluid heaters have long been known, for example, "a vessel that uses the iron core of a transformer for induction heating of liquids" (German patent N 329131, CL 21 N, group 3 with priority dated January 22, 1918), which has not received practical application due to high specific material consumption and low energy indicators (efficiency of converting electricity to heat and power factor cosΦ).

Однако неоспоримые преимущества низкочастотных (50 60 Гц) индукционных нагревателей жидкости применительно к современным требованиям электробезопасности и пожаробезопасности в сравнении с нагревателями резисторного типа (ТЭНовых) и электродных (для воды) обусловили повышенный интерес к новым конструкциям индукционных нагревателей. К ним относятся известные современные индукционные нагреватели жидкости погружного типа, в том числе индукционный нагреватель жидкости (патент России N 2002383, кл. Н 05 В 6/10), содержащий герметичный корпус цилиндрической формы, к внутренней поверхности наружной стенки которого прилегает индукционная обмотка, в полости последней размещен магнитопровод, при этом внутренний диаметр наружной стенки корпуса нагревателя составляет более 1/3 его высоты, а толщина этой стенки не превышает половины глубины проникновения переменного электромагнитного поля в материал корпуса (на частоте питающей сети). However, the indisputable advantages of low-frequency (50-60 Hz) induction fluid heaters in relation to modern requirements of electrical safety and fire safety in comparison with resistor type (TEN) and electrode (for water) heaters have led to increased interest in new designs of induction heaters. These include the well-known modern induction fluid heaters of immersion type, including an induction fluid heater (Russian patent N 2002383, class N 05 B 6/10), which contains a sealed cylindrical body, the induction coil is adjacent to the inner surface of the outer wall, in the cavity of the latter is equipped with a magnetic circuit, while the inner diameter of the outer wall of the heater body is more than 1/3 of its height, and the thickness of this wall does not exceed half the penetration depth of the variable electromagnetic field in the case material (at the frequency of the supply network).

К недостаткам этого индукционного нагревателя погружного типа относятся:
ограниченные условия эксплуатации: необходим внешний объем для нагреваемой жидкости, требуются дополнительные устройства (или усилия) для манипулирования погружным нагревателем сравнительно большой массы в этом объеме, собственный объем нагревателя занимает сравнительно большую долю в объеме с нагреваемой жидкостью, необходимо дополнительное приспособление, исключающее случайное попадание электрического ввода в нагреваемую жидкость;
повышенная материалоемкость нагревателя на единицу мощности, особенно ферромагнитного сердечника;
недостаточные энергетические показатели, в частности коэффициент мощности (cosΦ), так как индукционный нагрев стенки корпуса происходит за счет магнитных потоков рассеивания, в том числе и при ферромагнитной тонкой стенке, поскольку она будет работать в режиме насыщения;
достаточно напряженный термический режим первичной обмотки, находящейся внутри корпуса, который будет усиливаться по мере накипеобразования и осаждения солей на поверхности греющего корпуса нагревателя; в аварийном режиме, в случае нарушения герметичности корпуса, возможно появление опасного электрического потенциала на нагреваемой воде.The disadvantages of this submersible induction heater include:
limited operating conditions: an external volume is required for the heated fluid, additional devices (or efforts) are required to manipulate the relatively large mass of the immersion heater in this volume, the heater’s own volume occupies a relatively large proportion of the volume of the heated fluid, an additional device is needed to prevent accidental electrical entering into a heated fluid;
increased material consumption of the heater per unit of power, especially the ferromagnetic core;
insufficient energy indicators, in particular the power factor (cosΦ), since the induction heating of the body wall occurs due to magnetic fluxes of dispersion, including with a ferromagnetic thin wall, since it will work in saturation mode;
a sufficiently intense thermal regime of the primary winding inside the casing, which will increase with the formation of scale and the deposition of salts on the surface of the heating casing of the heater; in emergency mode, in case of violation of the tightness of the housing, the appearance of a dangerous electrical potential on heated water.

Известны погружные индукционные нагреватели жидкости, обладающие улучшенными энергетическими показателями, например индукционный нагреватель жидкой среды (а.с. СССР N 1811038, кл. Н 05 6/10) и идентичный индукционный нагреватель жидкости (патент России N 2002384, кл. Н 05 В 6/10), содержащие кольцевой магнитопровод трансформатора с тороидальной первичной обмоткой, который герметично заключен в кольцеобразную камеру из электропроводящего материала, представляющую собой вторичную короткозамкнутую обмотку и выполняющую роль греющего элемента. Недостатки указанных индукционных нагревателей, кроме энергетических показателей, аналогичны указанному выше нагревателю по патенту России N 2002383, кл. Н 05 В 6/10. Known submersible induction fluid heaters having improved energy performance, for example an induction fluid heater (as USSR USSR N 1811038, class N 05 6/10) and an identical induction fluid heater (Russian patent N 2002384, class N 05 B 6 / 10) containing an annular magnetic core of a transformer with a toroidal primary winding, which is hermetically enclosed in an annular chamber of electrically conductive material, which is a secondary short-circuited winding and acting as a heating element. The disadvantages of these induction heaters, in addition to energy indicators, are similar to the above heater according to Russian patent N 2002383, class. H 05 B, 6/10.

Кроме того, перечисленные выше индукционные нагреватели конструктивно не позволяют использовать существующие типоразмеры традиционных трансформаторов и технологию их производства, в том числе трехфазных. In addition, the induction heaters listed above structurally do not allow the use of existing standard sizes of traditional transformers and the technology of their production, including three-phase ones.

Известен индукционный электронагреватель жидкости, позволяющий использовать конструктивы и технологию изготовления традиционных трехфазных трансформаторов по заявке Франции N 2565059, кл. Н 05 В 6/10, содержащий шихтованный сердечник с первичной обмоткой, подключаемой к сети, и вторичную обмотку, выполненную в виде короткозамкнутого элемента из электропроводящих трубок, в которых находится жидкость, нагреваемая за счет греющих потерь от токов короткого замыкания вторичной обмотки. Known induction electric fluid heater, allowing the use of constructs and manufacturing technology of traditional three-phase transformers according to the application of France N 2565059, class. Н 05 В 6/10, containing a lined core with a primary winding connected to the network, and a secondary winding made in the form of a short-circuited element from electrically conductive tubes, in which there is a liquid heated by heating losses from short-circuit currents of the secondary winding.

К недостаткам этого электронагревателя относятся ограниченный коэффициент полезного преобразования электроэнергии в тепловую для нагрева жидкости из-за теплового рассеивания внешней поверхности змеевика, повышенное гидравлическое сопротивление греющих трубок змеевика, затрудняющее циркуляцию нагреваемой жидкости. The disadvantages of this electric heater include a limited coefficient of beneficial conversion of electric energy into heat for heating the liquid due to thermal dispersion of the outer surface of the coil, increased hydraulic resistance of the heating tubes of the coil, which complicates the circulation of the heated fluid.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является индукционный нагреватель жидкости (патент США N 4602140, кл. Н 05 В 6/10, 219-10.51), содержащий трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником, на стержнях которого намотана первичная обмотка, подключаемая к сети переменного тока (трехфазного). Вторичная обмотка, индукционно связанная с первичной через сердечник, представляет собой систему прямых трубок из электропроводящего материала, проходящих вне стержней сердечника перпендикулярно им и параллельно виткам первичной обмотки и электрически замкнутых на концах электропроводными немагнитными пластинами. Эта система трубок, нагреваемых индуцированными в них токами (короткого замыкания), представляет собой теплообменник, в котором нагревается теплоноситель. The closest in technical essence to the proposed is an induction fluid heater (US patent N 4602140, class N 05 B 6/10, 219-10.51), containing a transformer with a multi-rod ferromagnetic core, on the rods of which is wound the primary winding connected to AC (three phase). The secondary winding, inductively coupled to the primary through the core, is a system of straight tubes of electrically conductive material extending outside the core rods perpendicular to them and parallel to the turns of the primary winding and electrically conductive non-magnetic plates electrically closed at the ends. This system of tubes heated by the currents induced in them (short circuit) is a heat exchanger in which the coolant is heated.

К недостаткам прототипа относятся:
снижение КПД преобразования электроэнергии в тепловую для нагрева жидкости из-за теплового рассеивания в окружающую среду с внешней поверхности греющих трубок (которая, в частности, равна поверхности кондуктивного нагрева жидкости, циркулирующей через них);
повышенная материалоемкость, в основном ферромагнитного сердечника, из-за увеличенных размеров межкатушечных окон, необходимых для размещения, кроме первичной обмотки, соответствующей системы греющих трубок теплообменника.The disadvantages of the prototype include:
reduction in the efficiency of converting electricity to heat for heating a liquid due to heat dissipation into the environment from the outer surface of the heating tubes (which, in particular, is equal to the surface of the conductive heating of the liquid circulating through them);
increased material consumption, mainly of the ferromagnetic core, due to the increased size of the inter-coil windows necessary to place, in addition to the primary winding, the corresponding system of heating tubes of the heat exchanger.

Задачей изобретения является создание индукционного нагревателя жидкости с более высоким КПД и пониженной материалоемкостью. The objective of the invention is to provide an induction fluid heater with higher efficiency and reduced material consumption.

Это достигается тем, что в индукционном нагревателе жидкости, содержащем корпус, размещенный в нем трансформатор с многостержневым ферромагнитным сердечником с расположенной на стержнях многофазной первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока, и вторичной обмоткой, являющейся теплообменником, теплообменник выполнен в виде пустотелой камеры с нижним входным и верхним выходным патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, в котором имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора. This is achieved by the fact that in an induction fluid heater containing a housing, a transformer with a multi-rod ferromagnetic core located on the rods with a multiphase primary winding connected to the AC mains and a secondary winding being a heat exchanger, the heat exchanger is made in the form of a hollow chamber with a bottom inlet and upper outlet pipes for the passage of a heated fluid, in which there are through vertical channels with electrically conductive walls, in each of which the core of the transformer is installed with a gap.

Также индукционный нагреватель жидкости может быть снабжен замкнутыми контурами различной геометрии, установленными вокруг каждого сквозного канала, выполненными из электропроводящего материала. Also, the induction fluid heater can be equipped with closed loops of various geometries installed around each through channel made of electrically conductive material.

Корпус индукционного нагревателя жидкости может быть заполнен жидким диэлектриком. The housing of the induction fluid heater may be filled with a fluid dielectric.

На чертеже представлен предлагаемый индукционный нагреватель жидкости, разрез. The drawing shows the proposed induction fluid heater, section.

Индукционный нагреватель жидкости содержит шихтованный многостержневой (например, трехфазный) ферромагнитный сердечник 1 трансформатора с расположенной на стержнях сердечника многофазной первичной обмоткой 2, подключаемой к сети и изолированной от стержней корпусной изоляцией 3. The induction fluid heater contains a laminated multi-rod (for example, three-phase) ferromagnetic core 1 of the transformer with a multiphase primary winding 2 located on the core rods, connected to the network and insulated from the rods 3.

Вторичная обмотка трансформатора является теплообменником и выполнена в виде пустотелой камеры 4 с нижним входным 5 и верхним выходным 6 патрубками для прохождения нагреваемой жидкости, камера имеет сквозные вертикальные каналы 7 с электропроводящими стенками 8 (по количеству стержней сердечника), в каждом из которых с зазором установлены стержни сердечника 1. Между поверхностями стенок 8 и первичной обмоткой 2 с изоляцией 3 имеются воздушные промежутки. The secondary winding of the transformer is a heat exchanger and is made in the form of a hollow chamber 4 with a lower inlet 5 and an upper outlet 6 nozzles for passing a heated fluid, the chamber has through vertical channels 7 with electrically conductive walls 8 (by the number of core rods), each of which has a gap core rods 1. Between the surfaces of the walls 8 and the primary winding 2 with insulation 3 there are air gaps.

Пустотелая камера 4 выполнена из листового материала, при этом цилиндрические электропроводящие стенки 8 сквозных каналов 7, боковая оболочка 9, нижнее 10 и верхнее 11 торцевые основания, образующие цельность и непроницаемость для нагреваемой жидкости объема камеры 4 (например, с помощью сварки), могут выполняться разной толщины и из разных материалов. The hollow chamber 4 is made of sheet material, while the cylindrical electrically conductive walls 8 of the through channels 7, the side shell 9, the lower 10 and the upper 11 end bases forming integrity and impermeability to the heated fluid of the chamber 4 volume (for example, by welding) can be performed different thicknesses and from different materials.

Для усиления эффективности нагревателя он может быть снабжен замкнутыми электропроводящими контурами различных размеров и формы, например в виде колец 12 и 13, установленных вокруг каждого канала 7. To enhance the efficiency of the heater, it can be equipped with closed conductive circuits of various sizes and shapes, for example in the form of rings 12 and 13 installed around each channel 7.

При необходимости корпус 14 с соответствующими герметичными выходами для патрубков 5 и 6 может быть заполнен жидким диэлектриком. If necessary, the housing 14 with the corresponding sealed exits for the nozzles 5 and 6 can be filled with a liquid dielectric.

Предлагаемый индукционный нагреватель жидкости функционирует следующим образом. После заполнения камеры 4 нагреваемой жидкостью первичная обмотка 2 подключается к сети трехфазного тока и в стержнях сердечника 1 трансформатора создаются магнитные потоки, отличающиеся по фазе на 120 электрических градусов. Под воздействием этих потоков (переменных во времени) в стенках 8 фазных каналов 7 индуцируются достаточно большие токи (измеряемые килоамперами). Пропорционально квадрату этих токов в стенках 8 выделяется основная тепловая энергия, греющая жидкость в камере 4. В нижнем 10 и верхнем 11 торцевых основаниях камеры 4 индуцируется система вторичных токов, вызывающая дополнительное тепловыделение в электропроводящем материале торцевых оснований 10 и 11 и соответствующий подогрев (снизу и сверху) жидкости в камере 4. The proposed induction fluid heater operates as follows. After filling the chamber 4 with a heated liquid, the primary winding 2 is connected to a three-phase current network and magnetic fluxes are created in the terminals of the transformer core 1, which differ in phase by 120 electrical degrees. Under the influence of these flows (time-varying), sufficiently large currents (measured by kiloamperes) are induced in the walls 8 of the phase channels 7. In proportion to the square of these currents in the walls 8, the main heat energy is released, heating the liquid in the chamber 4. In the lower 10 and upper 11 end bases of the chamber 4, a secondary current system is induced, which causes additional heat generation in the electrically conductive material of the end bases 10 and 11 and the corresponding heating (bottom and top) fluid in chamber 4.

Для интенсификации индукционного нагрева жидкостей в предлагаемом нагревателе возможно использование тепловых концентраторов в виде электропроводящих контуров, замкнутых вокруг стенок 8 каждого фазного канала 7 (например колец 12 и 13 (см. чертеж), в том числе гофрированных). В этих кольцах 12 и 13 преобразуется в тепло часть электроэнергии, а их поверхность полностью участвует в непосредственном теплообмене с нагреваемой жидкостью. To intensify the induction heating of liquids in the proposed heater, it is possible to use thermal concentrators in the form of electrically conductive circuits closed around the walls 8 of each phase channel 7 (for example, rings 12 and 13 (see drawing), including corrugated ones). In these rings 12 and 13, part of the electricity is converted into heat, and their surface is fully involved in direct heat exchange with the heated liquid.

При эксплуатации предлагаемого индукционного нагревателя жидкости образуется определенный температурный перепад между верхними слоями жидкости (в зоне выходного патрубка 6) и холодными слоями жидкости на входе (патрубок 5) в камеру 4. During operation of the proposed induction fluid heater, a certain temperature difference is formed between the upper fluid layers (in the area of the outlet pipe 6) and the cold fluid layers at the inlet (pipe 5) into the chamber 4.

Под воздействием этого температурного перепада обеспечивается естественная циркуляция нагреваемой жидкости в камере 4 и замыкающей ее через патрубки 5 и 6 системе резервуаров для нагреваемого теплоносителя (например, системе электроотопления). Циркуляция теплоносителя при необходимости может быть усилена с помощью стороннего насоса. Under the influence of this temperature difference, the natural circulation of the heated fluid in the chamber 4 and the system of reservoirs for the heated coolant (for example, the electric heating system) closing it through the nozzles 5 and 6 is ensured. If necessary, the coolant circulation can be enhanced by using a third-party pump.

Внешний корпус 14 в зависимости от мощности индукционного нагревателя жидкости и напряжения питающей сети может заполняться жидким диэлектриком, например трансформаторным маслом. The external housing 14, depending on the power of the induction fluid heater and the voltage of the supply network, can be filled with a liquid dielectric, for example, transformer oil.

Технический эффект предлагаемого индукционного электронагревателя жидкости по сравнению с прототипом состоит в следующем:
обеспечивается повышение КПД преобразования электрической энергии в тепловую в результате более полного использования электроэнергии, преобразуемой в тепло для нагрева жидкости, так как стенка 9, наибольшая часть поверхности камеры 4, не является теплогенерирующей, а теплопередача с внешней поверхности стенок 8 фазных каналов 7 в сторону первичных обмоток практически не происходит из-за малого температурного перепада между ними;
в нагревателе с контурами в виде колец 12 и 13 стенки камеры 4 могут быть выполнены из неэлектропроводящего материала, при этом вся тепловая мощность выделяется в кольцах 12 и 13;
обеспечивается меньшая удельная материалоемкость индукционного нагревателя, в основном масса ферромагнитного сердечника 1, размеры окон которого между стержнями практически определяются только размерами катушек первичной обмотки 2, так как стенки 8 фазных каналов 7 выполняются из листового материала и мало влияют на размеры окон многостержневого трансформатора, при различном соотношении геометрии колец 12 и 13 обеспечивается равномерность нагрева жидкости в камере 4.The technical effect of the proposed induction electric fluid heater compared to the prototype is as follows:
provides an increase in the efficiency of converting electric energy into heat as a result of a more complete use of electricity converted into heat to heat the liquid, since the wall 9, the largest part of the surface of the chamber 4, is not heat-generating, and heat transfer from the outer surface of the walls 8 of the phase channels 7 to the primary side windings practically do not occur due to the small temperature difference between them;
in a heater with circuits in the form of rings 12 and 13, the walls of the chamber 4 can be made of non-conductive material, while all the heat power is released in the rings 12 and 13;
a lower specific material consumption of the induction heater is provided, mainly the mass of the ferromagnetic core 1, the window sizes of which between the rods are practically determined only by the dimensions of the primary winding coils 2, since the walls of the 8 phase channels 7 are made of sheet material and have little effect on the window sizes of the multi-rod transformer, with different the ratio of the geometry of the rings 12 and 13 ensures uniform heating of the liquid in the chamber 4.

Кроме того, предлагаемый индукционный нагреватель жидкости более прост при монтаже из-за отсутствия по сравнению с прототипом многотрубчатого теплообменника. In addition, the proposed induction fluid heater is easier to install due to the lack of a multi-tube heat exchanger compared to the prototype.

Claims

1. An induction fluid heater comprising a housing, a transformer with a multi-rod ferromagnetic core located on the rods with a multiphase primary winding connected to the AC mains and a secondary winding being a heat exchanger, characterized in that the heat exchanger is made in the form of a hollow chamber with a bottom inlet and upper outlet pipes for the passage of a heated fluid, in which there are through vertical channels with electrically conductive walls, in each of which with the core of the transformer is installed with azor.

2. The heater according to claim 1, characterized in that it is equipped with closed circuits installed around each specified through channel, made of electrically conductive material.

3. The heater according to claim 1 or 2, characterized in that the housing is filled with a liquid dielectric.