RU2264695C2

RU2264695C2 - Induction heating device

Info

Publication number: RU2264695C2
Application number: RU2001111144/09A
Authority: RU
Inventors: Е.Д. Карманов (RU); Е.Д. Карманов; С.И. Шаплов (RU); С.И. Шаплов
Original assignee: Карманов Евгений Дмитриевич; Шаплов Сергей Иванович
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2005-11-20

Abstract

FIELD: heating bodies, primarily tanks holding chemical materials, such as salts, in chemical reactors.

SUBSTANCE: proposed induction heating device has at least one cylindrical induction coil coaxially disposed about body being heated which is connected to ac power supply and provided with external magnetic circuit enclosing it; novelty consists in that external magnetic circuit is proposed to be made so that its longitudinal dimension would exceed that of induction coil and ends of external magnetic circuit would protrude beyond induction coil edges by minimum half the size of air gap between inner surface of magnetic circuit and outer surface of body being heated. Induction heating device may have at least two cylindrical coils, distance between end portions of adjacent magnetic circuits amounting to minimum double size of air gap between inner surface of magnetic circuit and outer surface of body being heated.

EFFECT: enhanced uniformity of body (primarily tank) heating, reduced material input, enhanced power characteristics and reliability, as well as facilitated maintenance of device.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано, в частности, для нагревания емкостей с химическими веществами, например, такими, как соли, в химических реакторах.The invention relates to heating devices and can be used, in particular, for heating containers with chemicals, such as salts, in chemical reactors.

Известен трехфазный индуктор для сквозного нагрева длинномерных изделий, в котором равномерность нагрева изделия достигается за счет выполнения катушки в виде отдельных секций с различным соотношением числа витков на крайних и средних ее участках и различным соотношением геометрических размеров катушки (А.с. №110075, Н 05 В 6/36, опубликовано 30.06.84, Бюл. № 24). Однако такой индуктор имеет сложную конструкцию, обладает повышенной материалоемкостью и неудобен в обслуживании, монтаже и демонтаже, а также имеет низкие энергетические показатели из-за отсутствия внешнего магнитопровода и, как следствие, увеличенный расход обмоточных проводов и повышенные массогабаритные показатели.Known three-phase inductor for through heating of long products, in which the uniformity of heating of the product is achieved by making the coil in separate sections with a different ratio of the number of turns on its extreme and middle sections and a different ratio of the geometric dimensions of the coil (A.S. No. 110075, H 05 In 6/36, published on 06/30/84, Bull. No. 24). However, such an inductor has a complex structure, has increased material consumption and is inconvenient in maintenance, installation and dismantling, and also has low energy performance due to the absence of an external magnetic circuit and, as a result, increased consumption of winding wires and increased weight and size indicators.

Известны индукционные нагреватели (Химические аппараты с индукционным обогревом, Горбатков С.А., Кувалдин А.Б., Минеев В.К. и др., М, 1985 г., с. 27, рис. 2.4, с. 148, рис. 4.14 а, в, д), содержащие цилиндрические катушки, охватывающие цилиндрическую часть нагреваемой емкости. Катушки соседних фаз отделены друг от друга магнитными экранами-рассекателями для уменьшения их взаимного влияния. Недостатки таких индукторов - сложность конструкции, повышенная материалоемкость, сложность обслуживания, монтажа и демонтажа, разогрев магнитных экранов.Induction heaters are known (Chemical apparatuses with induction heating, Gorbatkov S.A., Kuvaldin A.B., Mineev V.K. et al., M, 1985, p. 27, fig. 2.4, p. 148, fig. 4.14 a, c, e) containing cylindrical coils covering the cylindrical part of the heated vessel. Coils of adjacent phases are separated from each other by magnetic divider screens to reduce their mutual influence. The disadvantages of such inductors are design complexity, increased material consumption, complexity of maintenance, installation and dismantling, heating of magnetic screens.

Известно индукционное нагревательное устройство (Химические аппараты с индукционным обогревом, Горбатков С.А., Кувалдин А.Б., Минеев В.К. и др., М, 1985 г., с. 26-27, рис. 2.4), выбранное в качестве ближайшего аналога, содержащее цилиндрические катушки, включенные в разные фазы многофазной электрической сети, снабженные внешними (наружными) магнитопроводами из листовой электротехнической стали и разделенные экранами-рассекателями. Недостатки устройства заключаются в сложности его конструкции, повышенной материалоемкости, сложности обслуживания, монтажа и демонтажа, разогреве магнитных экранов. Кроме того, устройство не обеспечивает равномерный нагрев стенок емкости особенно в тех зонах, которые расположены напротив промежутка между катушками, так как магнитный поток прерывается вблизи экранов-рассекателей. Это обстоятельство не позволяет использовать такое устройство там, где требуется равномерный нагрев боковой поверхности емкости, начиная от ее верхней части и кончая нижней частью, с равномерным заданным повышением температуры в осевом направлении.Known induction heating device (Chemical apparatuses with induction heating, Gorbatkov S.A., Kuvaldin A.B., Mineev V.K. et al., M, 1985, pp. 26-27, Fig. 2.4), selected as the closest analogue, containing cylindrical coils included in different phases of a multiphase electric network, equipped with external (external) magnetic cores of sheet electrical steel and separated by divider screens. The disadvantages of the device are the complexity of its design, increased material consumption, complexity of maintenance, installation and dismantling, heating of magnetic screens. In addition, the device does not provide uniform heating of the walls of the tank, especially in those areas that are located opposite the gap between the coils, since the magnetic flux is interrupted near the screens-dividers. This circumstance does not allow the use of such a device where uniform heating of the side surface of the tank is required, starting from its upper part and ending with the lower part, with a uniform predetermined temperature increase in the axial direction.

Изобретение направлено на решение задачи повышения равномерности нагрева тела, выполненного преимущественно в виде емкости, при одновременном снижении материалоемкости устройства и повышении его энергетических показателей, надежности и удобства обслуживания.The invention is aimed at solving the problem of increasing the uniformity of heating the body, made mainly in the form of capacity, while reducing the material consumption of the device and increasing its energy performance, reliability and ease of maintenance.

Сущность изобретения заключается в том, что в индукционном нагревательном устройстве, содержащем по меньшей мере одну индукционную цилиндрическую катушку, расположенную вокруг нагреваемого тела коаксиально с ним, подключенную к источнику переменного тока и снабженную охватывающим ее внешним магнитопроводом, предлагается внешний магнитопровод выполнить так, что его продольный размер превышает продольный размер индукционной катушки, а края внешнего магнитопровода выступают за края индукционной катушки не менее, чем на половину величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.The essence of the invention lies in the fact that in an induction heating device containing at least one induction cylindrical coil located around the heated body coaxially with it, connected to an alternating current source and provided with an external magnetic circuit enclosing it, it is proposed that the external magnetic circuit be made so that its longitudinal the size exceeds the longitudinal size of the induction coil, and the edges of the external magnetic circuit protrude beyond the edges of the induction coil by at least half the size the air gap between the inner surface of the magnetic circuit and the outer surface of the heated body.

Индукционное нагревательное устройство может содержать по меньшей мере две цилиндрические катушки, при этом расстояние между торцевыми частями соседних магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела.The induction heating device may contain at least two cylindrical coils, while the distance between the end parts of adjacent magnetic cores is at least twice the air gap between the inner surface of the magnetic circuit and the outer surface of the heated body.

Выполнение внешнего магнитопровода так, что его продольный размер превышает продольный размер катушки, обеспечивает возможность получить заданное распределение плотности магнитного потока в приповерхностном слое нагреваемого тела, а именно повышение плотности магнитного потока вблизи краев индукционной катушки. Этим обеспечивается практически одинаковое потокосцепление «элементарных проводников» приповерхностного слоя нагреваемого тела, а следовательно, и равномерное распределение индуцированных токов. При этом выполнение внешнего магнитопровода так, что его края выступают за края индукционной катушки не менее, чем на половину величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела, обеспечивает оптимальное распределение плотности магнитного поля вблизи краев индукционной катушки, поскольку, как показали расчеты и физическое моделирование, при меньших размерах выступающих частей магнитопровода значительно уменьшается концентрация магнитного потока у краев внешнего магнитопровода и увеличивается плотность потока в центральной ее части, что приводит к неравномерности нагрева тела.The implementation of the external magnetic circuit so that its longitudinal size exceeds the longitudinal size of the coil, makes it possible to obtain a predetermined distribution of the magnetic flux density in the surface layer of the heated body, namely, an increase in the magnetic flux density near the edges of the induction coil. This ensures almost the same flux linkage of the "elementary conductors" of the surface layer of the heated body, and, consequently, a uniform distribution of induced currents. Moreover, the implementation of the external magnetic circuit so that its edges protrude beyond the edges of the induction coil by at least half the size of the air gap between the internal surface of the magnetic circuit and the external surface of the heated body, provides an optimal distribution of the magnetic field density near the edges of the induction coil, since, as calculations have shown and physical modeling, with smaller sizes of the protruding parts of the magnetic circuit, the magnetic flux concentration at the edges of the external magnet is significantly reduced the wiring and the flux density in its central part increases, which leads to uneven body heating.

В случае использования в устройстве не менее, чем двух цилиндрических катушек, выполнение внешних магнитопроводов так, что расстояние между торцевыми частями этих магнитопроводов составляет не менее удвоенной величины воздушного зазора между внутренней поверхностью магнитопровода и внешней поверхностью нагреваемого тела, способствует обеспечению однородности магнитного потока вблизи краев индукционных катушек и в промежутках между катушками.In the case of using at least two cylindrical coils in the device, the implementation of the external magnetic cores so that the distance between the end parts of these magnetic cores is at least twice the air gap between the inner surface of the magnetic circuit and the outer surface of the heated body, helps to ensure uniformity of magnetic flux near the edges of the induction coils and in between coils.

На фиг.1 показан общий вид предлагаемого нагревательного индукционного устройства. На фиг.2 приведен продольный разрез зоны, расположенной между соседними цилиндрическими катушками, нагревательного индукционного устройства. На фиг.3 показано распределение магнитного потока в зоне, расположенной между соседними цилиндрическими катушками, нагревательного индукционного устройства в пространстве нагревательного индукционного устройства и в воздушном зазоре.Figure 1 shows a General view of the proposed heating induction device. Figure 2 shows a longitudinal section of a zone located between adjacent cylindrical coils of a heating induction device. Figure 3 shows the distribution of magnetic flux in the area located between adjacent cylindrical coils of the heating induction device in the space of the heating induction device and in the air gap.

Индукционное нагревательное устройство включает в себя цилиндрические индукционные катушки 1, снабженные охватывающими их внешними магнитопроводами 2. Продольный размер внешнего магнитопровода 2 превышает продольный размер катушки 1. Катушки 1 подключены к источнику переменного тока, в данном случае к трехфазному источнику переменного тока (не показан). Катушки 1 установлены коаксиально с нагреваемым телом, представляющим собой в данном случае цилиндрическую емкость 3, при этом катушки 1 установлены на некотором заданном расстоянии от внешней поверхности емкости 3. Величина этого расстояния зависит от технологических параметров устройства и может составлять, например, 10-15 мм. Индукционные катушки 1 выполнены из обмоточного провода. Внешний магнитопровод 2 выполнен из тонколистовой электротехнической стали (шихтованный).The induction heating device includes cylindrical induction coils 1 provided with external magnetic circuits 2 enclosing them. The longitudinal dimension of the external magnetic circuit 2 exceeds the longitudinal size of the coil 1. The coils 1 are connected to an alternating current source, in this case a three-phase alternating current source (not shown). The coils 1 are installed coaxially with the heated body, which is in this case a cylindrical container 3, while the coils 1 are installed at some predetermined distance from the outer surface of the vessel 3. The value of this distance depends on the technological parameters of the device and can be, for example, 10-15 mm . Induction coils 1 are made of winding wire. External magnetic circuit 2 is made of thin-sheet electrical steel (laden).

Величина зазора δ между внутренней поверхностью магнитопровода 2 и внешней поверхностью емкости 3 показана на фиг.2 и выбирается в зависимости от конкретной решаемой задачи и может составлять, например, от двух до нескольких десятков миллиметров. Величина Δh выступающих частей 4 магнитопровода 2 составляет не менее половины величины зазора δ, а расстояние Δl между торцевыми частями магнитопроводов 2 соседних катушек 1 составляет не менее удвоенной величины зазора δ.The size of the gap δ between the inner surface of the magnetic circuit 2 and the outer surface of the tank 3 is shown in figure 2 and is selected depending on the specific problem being solved and can be, for example, from two to several tens of millimeters. The value Δh of the protruding parts 4 of the magnetic circuit 2 is at least half the size of the gap δ, and the distance Δl between the end parts of the magnetic circuits 2 of the adjacent coils 1 is at least twice the size of the gap δ.

Предлагаемое индукционное нагревательное устройство работает следующим образом.The proposed induction heating device operates as follows.

Цилиндрические катушки 1 подключаются к источнику переменного тока (не показан), в данном случае к трехфазному. При этом каждая из катушек 1 создает магнитный поток, который замыкается, проходя по внешнему магнитопроводу 2 через воздушный зазор δ и приповерхностный слой нагреваемой емкости 3, как показано на фиг.3. Поскольку внешний магнитопровод 2 выполнен из тонколистовой электротехнической стали, то тепловыделение в нем невелико и практически его можно не учитывать. Основное тепловыделение, вызванное токами, индуцированными переменным магнитным потоком, происходит в боковой поверхности емкости 3. Закон изменения намагничивающей силы катушки 1 имеет линейный характер, при этом намагничивающая сила увеличивается от центра катушки 1 к ее краям, поэтому выступающие части 4 внешнего магнитопровода 2 способствуют созданию магнитного потока, проходящего через воздушный зазор в нагреваемую боковую поверхность емкости 3 в основном через выступающие части 4 внешнего магнитопровода 2, что обеспечивает повышение равномерности распределения плотности индуцированных токов и соответственно повышение равномерности нагрева боковой поверхности.Cylindrical coils 1 are connected to an alternating current source (not shown), in this case to a three-phase one. In this case, each of the coils 1 creates a magnetic flux, which closes, passing through the external magnetic circuit 2 through the air gap δ and the surface layer of the heated tank 3, as shown in Fig.3. Since the external magnetic circuit 2 is made of sheet steel, the heat dissipation in it is small and practically it can be ignored. The main heat generation caused by currents induced by an alternating magnetic flux occurs in the lateral surface of the vessel 3. The law of change of the magnetizing force of coil 1 is linear, while the magnetizing force increases from the center of coil 1 to its edges, therefore, the protruding parts 4 of the external magnetic circuit 2 contribute to the creation of magnetic flux passing through the air gap into the heated side surface of the tank 3 mainly through the protruding parts 4 of the external magnetic circuit 2, which provides higher ix uniform distribution of induced current density and thus increase the uniformity of heating the lateral surface.

Зоны поверхности емкости 3, расположенные напротив участков Δl, охватываются магнитным потоком, проходящим через торцевые части внешнего магнитопровода 2 катушек 1, как показано на фиг.3, а взаимное влияние соседних катушек 1 практически исключается за счет подбора расстояния между торцевыми частями соседних магнитопроводов 2.The surface zones of the vessel 3, located opposite the sections Δl, are covered by a magnetic flux passing through the end parts of the external magnetic circuit 2 of the coils 1, as shown in Fig. 3, and the mutual influence of neighboring coils 1 is practically eliminated by selecting the distance between the end parts of the neighboring magnetic circuits 2.

Результаты расчетов и физического моделирования показали, что эффект концентрации магнитного потока на выступающих частях 4 внешнего магнитопровода 2 начинает заметно проявляться, когда выступающие части 4 имеют величину Δh не меньшую, чем величина половины зазора δ, а взаимное влияние соседних катушек практически отсутствует при расстоянии Δl между торцевыми частями соседних магнитопроводов 2 не менее двух величин зазора δ. Конкретные значения величин Δh и Δl зависят от геометрических размеров и мощности индукционного нагревателя, при этом с увеличением диаметра нагревателя и его мощности имеет место тенденция к увеличению относительных размеров выступающей части магнитопровода и расстояния между торцевыми частями соседних магнитопроводов.The results of calculations and physical modeling showed that the effect of the magnetic flux concentration on the protruding parts 4 of the outer magnetic circuit 2 begins to manifest itself noticeably when the protruding parts 4 have a value Δh not less than half the gap δ, and the mutual influence of neighboring coils is practically absent at a distance Δl between the end parts of adjacent magnetic cores 2 of at least two clearance values δ. The specific values of Δh and Δl depend on the geometric dimensions and power of the induction heater, while with an increase in the diameter of the heater and its power, there is a tendency to increase the relative dimensions of the protruding part of the magnetic circuit and the distance between the end parts of the adjacent magnetic circuit.

Примером конкретного выполнения предлагаемого изобретения является реально изготовленное индукционное нагревательное устройство с внешним диаметром катушек 900 мм и мощностью 18 кВт, величиной воздушного зазора, равной 23 мм, величиной Δh выступающих частей магнитопровода, равной 13 мм, величиной расстояния Δl, равной 50 мм. Такое выполнение предлагаемого устройства обеспечивает равномерность нагрева поверхности емкости 3 с отклонением по температуре в отдельных зонах не более 5%. Кроме того, данное устройство за счет предложенного в изобретении оригинального выполнения внешнего магнитопровода и исключения необходимости использования экранов-рассекателей имеет меньшую материалоемкость по сравнению с нагревателями аналогичного назначения, проще в изготовлении и обслуживании и имеет в несколько раз выше коэффициент мощности.An example of a specific implementation of the present invention is a really manufactured induction heating device with an external coil diameter of 900 mm and a power of 18 kW, an air gap of 23 mm, an Δh of protruding parts of the magnetic core of 13 mm, a distance Δl of 50 mm. This embodiment of the proposed device provides uniform heating of the surface of the tank 3 with a temperature deviation in individual zones of not more than 5%. In addition, this device, due to the original embodiment of the external magnetic circuit proposed in the invention and eliminating the need to use splitter screens, has less material consumption compared to similar heaters, is easier to manufacture and maintain, and has a power factor several times higher.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает повышение равномерности нагрева тела, выполненного преимущественно в виде емкости, при одновременном снижении материалоемкости устройства и повышении его энергетических показателей, надежности и удобства обслуживания.Thus, the proposed device provides an increase in the uniformity of heating the body, made mainly in the form of capacity, while reducing the material consumption of the device and increasing its energy performance, reliability and ease of maintenance.

Claims

1. An induction heating device containing at least one induction cylindrical coil located around the heated body with a gap coaxially with it, connected to an AC source and provided with an external magnetic circuit enclosing it, characterized in that the external magnetic circuit is designed so that the longitudinal dimension exceeds the longitudinal dimension of the induction coil, and the edges of the external magnetic core protrude beyond the edges of the induction coil by at least half the gap between the inner the surface of the magnetic circuit and the outer surface of the heated body.

2. The induction heating device according to claim 1, characterized in that it contains at least two induction cylindrical coils with external magnetic circuits covering them, the distance between the end parts of adjacent magnetic circuits being at least twice the gap between the inner surface of the magnetic circuit and the outer surface of the heated body.