RU2153779C2

RU2153779C2 - Electric water heater of transformer type

Info

Publication number: RU2153779C2
Application number: RU98113611A
Authority: RU
Inventors: А.В. Сериков; В.М. Кузьмин; Р.Г. Игнатов
Original assignee: Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет
Priority date: 1998-07-15
Filing date: 1998-07-15
Publication date: 2000-07-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: proposed electric water heater presents three-phase transformer with space magnetic circuit which legs carry primary winding. Secondary winding is made of tubes placed between legs. Specific feature of design of each phase of secondary winding lies in its manufacture in the form of two tubes concentrically put one inside another. Upper ends of tubes are interconnected and lower ends are linked to short-circuiting discs. Tube of smaller diameter is connected to one disc and tube of larger diameter is linked to another disc. Structure of secondary winding creates together with short-circuiting discs and case jacket a sealed chamber housing magnetic circuit with primary winding. Water is heated as flows by power released by secondary winding with current passing through it. EFFECT: enhanced heating efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроводонагревателям и предназначено для горячего водоснабжения жилых домов, небольших промышленных и сельскохозяйственных предприятий. The invention relates to electric heaters and is intended for hot water supply of residential buildings, small industrial and agricultural enterprises.

Уровень изобретения известен из прибора, содержащего встроенный трансформатор с шихтованным сердечником, первичную обмотку, подключенную к сети, и вторичную обмотку, отличающегося тем, что греющая часть прибора является частью короткозамкнутой вторичной обмотки трансформатора, имеет произвольную форму и выполнена из ферромагнитного листового материала с электропроводящим покрытием (пат. N 2007895, H 05 B 6/10, опубл. 15.02.94). The level of the invention is known from a device containing an integrated transformer with a lined core, a primary winding connected to the network, and a secondary winding, characterized in that the heating part of the device is part of a short-circuited secondary winding of the transformer, has an arbitrary shape and is made of ferromagnetic sheet material with an electrically conductive coating (Pat. N 2007895, H 05 B 6/10, publ. 15.02.94).

Недостатком этого прибора является сложность изготовления вторичной обмотки, особенно ее электропроводящего покрытия, что ведет к удорожанию устройства. The disadvantage of this device is the difficulty of manufacturing a secondary winding, especially its electrically conductive coating, which leads to a rise in the cost of the device.

Известен также индукционный нагреватель текучих сред, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена из электропроводящей трубки, витки которой соединены между собой в местах прилегания сварочными швами (пат. N 2031551, H 05 B 6/10, опубл. 20.03.95). Also known is an induction fluid heater containing a transformer, the secondary winding of which is made of an electrically conductive tube, the turns of which are interconnected at weld points (US Pat. N 2031551, H 05 B 6/10, publ. 20.03.95).

Недостатком этого нагревателя является то, что трубка, предназначенная для нагрева текучей среды, отдает тепло не только в нагреваемую жидкость, но и рассеивает его в окружающую среду, что приводит к снижению коэффициента полезного действия устройства. Кроме того, это устройство имеет низкий коэффициент мощности, обусловленный значительной индуктивностью рассеяния вторичной обмотки данного типа. К перечисленным недостаткам можно добавить то, что сварочные швы будут являться источниками локального перегрева. The disadvantage of this heater is that the tube, designed to heat the fluid, gives off heat not only to the heated fluid, but also dissipates it into the environment, which leads to a decrease in the efficiency of the device. In addition, this device has a low power factor due to the significant dissipation inductance of this type of secondary winding. To these shortcomings, we can add that the welds will be sources of local overheating.

Также известен индукционный нагреватель жидкости, содержащий 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 которой имеются сквозные вертикальные каналы с электропроводящими стенками, в каждом из которых с зазором установлен стержень сердечника трансформатора (пат. N 2074529, H 05 B 6/10, F 24 H 1/22, опубл. 27.02.97). Also known is 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 located on the rods. The heat exchanger is made in the form of a hollow chamber with a lower inlet and an upper outlet for passing a heated fluid, in which there are through vertical channels with electrically conductive walls, each of which has a transformer core rod with a gap (Pat. N 2074529, H 05 B 6/10 , F 24 H 1/22, publ. 02.27.97).

Недостатком данного устройства является сложность конструкции и неудовлетворительные массогабаритные показатели. The disadvantage of this device is the design complexity and unsatisfactory weight and size indicators.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электроводонагревательное устройство трансформаторного типа (пат. РФ N 2101882, H 05 B 6/10, F 24 H 1/10, опубл. 10.01.98), содержащее пространственный магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой и короткозамкнутую вторичную обмотку, причем вторичная обмотка выполнена из прямых трубок, размещенных между стержнями магнитопровода с первичной обмоткой и соединенных на концах дисками. Вторичная обмотка совместно с корпусной оболочкой образует герметичную камеру. В этом устройстве греющим элементом являются трубки, расположенные между стержнями магнитопровода. Недостаточная площадь поверхности теплоотдачи, а также большая плотность теплового потока с этой поверхности являются недостатками этого электроводонагревателя. Closest to the technical nature of the claimed invention is a transformer type electric heating device (US Pat. RF N 2101882, H 05 B 6/10, F 24 H 1/10, publ. 10.01.98), containing a spatial magnetic circuit with a three-phase primary winding and short-circuited secondary winding, and the secondary winding is made of straight tubes placed between the rods of the magnetic circuit with the primary winding and connected at the ends by disks. The secondary winding together with the casing forms a sealed chamber. In this device, the heating element is the tube located between the rods of the magnetic circuit. The insufficient heat transfer surface area, as well as the high heat flux density from this surface, are the disadvantages of this electric heater.

Заявляемое изобретение направлено на повышение энергетических и эксплуатационных показателей. Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной задачи, заключается в повышении эффективности нагрева. The claimed invention is aimed at improving energy and operational performance. The technical result achieved in the process of solving the problem is to increase the heating efficiency.

Требуемый технический результат достигается за счет увеличения площади теплоотдачи нагревательного элемента при минимальном расходе активных материалов и минимальных габаритах. The required technical result is achieved by increasing the heat transfer area of the heating element with a minimum consumption of active materials and minimal dimensions.

Это достигается выполнением вторичной обмотки в виде прямых трубок, расположенных концентрически одна внутри другой с зазором, верхние концы которых соединены между собой, а нижние накоротко замкнуты дисками. Заявляемая конструкция вторичной обмотки увеличивает площадь теплоотдачи нагревательного элемента формированием выходных концов трубок, т.е. добавлением выступающей части внутренних трубок и наличием концентрически расположенных внешних. This is achieved by performing a secondary winding in the form of straight tubes located concentrically one inside the other with a gap, the upper ends of which are interconnected, and the lower ones are short-circuited by disks. The inventive design of the secondary winding increases the heat transfer area of the heating element by the formation of the output ends of the tubes, i.e. the addition of the protruding part of the inner tubes and the presence of concentrically located outer ones.

Электроводонагреватель трансформаторного типа имеет пространственный магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой и короткозамкнутую вторичную обмотку, выполненную из трубок, размещенную между стержнями магнитопровода. Каждая фаза вторичной обмотки представляет собой две трубки разного диаметра и высоты, проходящие одна внутри другой с зазором. Трубки соединяются верхними концами между собой, а нижними концами с дисками, причем трубка меньшего диаметра соединяется с нижним диском, а трубка большего диаметра соединяется с верхним диском. Вся конструкция совместно с корпусной оболочкой создает герметичную камеру. The transformer-type electric heater has a spatial magnetic circuit with a three-phase primary winding and a short-circuited secondary winding made of tubes placed between the rods of the magnetic circuit. Each phase of the secondary winding consists of two tubes of different diameters and heights, passing one inside the other with a gap. The tubes are connected by their upper ends to each other, and the lower ends with the disks, the tube of a smaller diameter being connected to the lower disk, and the tube of a larger diameter being connected to the upper disk. The entire structure, together with the body shell, creates a sealed chamber.

Существенные признаки, характеризующие заявляемое устройство:
ограничительные - электронагреватель трансформаторного типа, содержащий пространственный магнитопровод с трехфазной первичной обмоткой, стержни которого расположены в одной плоскости под углом 120^o относительно друг друга, и вторичную обмотку, выполненную из трубок, которые накоротко замкнуты на нижних концах и расположены между стержнями магнитопровода, при этом вся конструкция охвачена корпусной оболочкой, создающей герметичную камеру;
отличительные - каждая фаза вторичной обмотки состоит из двух прямых трубок разного диаметра и высоты, расположенных концентрически одна внутри другой с зазором, при этом верхние концы трубок соединены между собой, нижний конец трубки меньшего диаметра соединен с нижним диском, а нижний конец трубки большего диаметра соединен с верхним диском.The essential features characterizing the claimed device:
restrictive - a transformer type electric heater containing a spatial magnetic circuit with a three-phase primary winding, the rods of which are located in the same plane at an angle of 120 ^o relative to each other, and a secondary winding made of tubes that are short-circuited at the lower ends and located between the rods of the magnetic circuit, the whole structure is covered by a shell that creates a sealed chamber;
distinctive - each phase of the secondary winding consists of two straight tubes of different diameters and heights, concentrically located one inside the other with a gap, while the upper ends of the tubes are interconnected, the lower end of the tube of a smaller diameter is connected to the lower disk, and the lower end of the tube of a larger diameter is connected with the top drive.

На чертеже показана конструкция электроводонагревателя трансформаторного типа с пространственным магнитопроводом, стержни 1 которого расположены в одной плоскости под углом 120 градусов относительно друг друга и охвачены кольцеобразным ярмом 2. На стержнях размещена трехфазная первичная обмотка 3. Вторичная короткозамкнутая обмотка выполнена в виде трубок 4, предназначенных для прохождения нагреваемой жидкости, которые накоротко замкнуты дисками 5. Трубки размещены между стержнями магнитопровода. Вторичная обмотка вместе с корпусной оболочкой 6 создает герметичную камеру, внутри которой размещен магнитопровод с первичной обмоткой. Стрелками 7 показан один из вариантов протекания нагреваемой жидкости, которая омывает как внутренние поверхности трубок меньшего диаметра, так и внешние поверхности трубок большего диаметра. The drawing shows the design of a transformer type electric heater with a spatial magnetic circuit, the rods 1 of which are located in the same plane at an angle of 120 degrees relative to each other and are surrounded by an annular yoke 2. A three-phase primary winding 3 is placed on the rods. The secondary short-circuited winding is made in the form of tubes 4 designed for the passage of the heated fluid, which are short-circuited by disks 5. The tubes are placed between the rods of the magnetic circuit. The secondary winding together with the casing 6 creates a sealed chamber, inside of which there is a magnetic circuit with a primary winding. Arrows 7 show one of the options for the flow of a heated fluid, which washes both the inner surfaces of the tubes of a smaller diameter and the outer surfaces of the tubes of a larger diameter.

Устройство работает следующим образом. При подключении первичной обмотки к трехфазной сети по ней протекает переменный ток, создающий изменяющийся во времени магнитный поток системы устройства. Этот магнитный поток индуцирует во вторичной обмотке электродвижущую силу, под действием которой в трубках протекает трехфазный переменный ток. При протекании тока во вторичной обмотке выделяется тепло, передаваемое нагреваемой жидкости. The device operates as follows. When the primary winding is connected to a three-phase network, an alternating current flows through it, creating a time-varying magnetic flux of the device system. This magnetic flux induces an electromotive force in the secondary winding, under the influence of which a three-phase alternating current flows in the tubes. When current flows in the secondary winding, heat is transferred to the heated fluid.

Вследствие того, что площадь греющих элементов значительно увеличена, возможен нагрев воды с меньшим образованием накипи, а значит, и более длительным сроком службы электроводонагревателя без обслуживания. Это объясняется тем, что одним из факторов, влияющих на интенсивность процесса образования накипи, является удельная поверхностная мощность, т.е. мощность на единицу греющей поверхности. За счет формирования выступающей части вторичной обмотки внутренними и внешними трубками увеличивается теплоотдающая поверхность электроводонагревателя, а следовательно, уменьшается отдельная поверхностная мощность, что приводит к ухудшению условий образования накипи как при нагреве протекающей жидкости, так и при погружении нагревателя в жидкость. Кроме того, благодаря тому, что конструкция электроводонагревателя герметична, он может быть целиком помещен в нагреваемую жидкость, поэтому вся тепловая мощность, выделяемая в нем, полностью передается в нагреваемую жидкость, что обеспечивает максимальный коэффициент полезного действия устройства. Due to the fact that the area of heating elements is significantly increased, it is possible to heat water with less scale formation, and, therefore, a longer service life of the electric heater without maintenance. This is because one of the factors affecting the intensity of the scale formation process is the specific surface power, i.e. power per heating unit. Due to the formation of the protruding part of the secondary winding by the internal and external tubes, the heat-transfer surface of the electric heater increases, and therefore, the separate surface power decreases, which leads to a deterioration in the conditions of scale formation both when heating the flowing liquid and when the heater is immersed in the liquid. In addition, due to the fact that the design of the electric heater is tight, it can be completely placed in a heated liquid, therefore, all the heat power released in it is completely transferred to the heated liquid, which ensures the maximum efficiency of the device.

Claims

A transformer type electric heater containing a spatial magnetic circuit with a three-phase primary winding, the rods of which are located in the same plane at an angle of 120 ^o relative to each other, and a secondary winding made of tubes that are short-circuited at the lower ends by disks and located between the magnetic circuit rods, while the design is covered by a housing shell creating a sealed chamber, characterized in that each phase of the secondary winding consists of two straight tubes of different diameters and cell disposed concentrically one inside the other with a gap, the upper ends of the tubes are connected together, the lower end of the smaller diameter tube connected to the lower plate and the lower end of the larger diameter tube connected to the upper disc.