RU2385552C1 - Heating coil with protection against primary scale (versions) - Google Patents
Heating coil with protection against primary scale (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2385552C1 RU2385552C1 RU2008149745/09A RU2008149745A RU2385552C1 RU 2385552 C1 RU2385552 C1 RU 2385552C1 RU 2008149745/09 A RU2008149745/09 A RU 2008149745/09A RU 2008149745 A RU2008149745 A RU 2008149745A RU 2385552 C1 RU2385552 C1 RU 2385552C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- spiral
- shell
- heating element
- ferromagnetic
- sections
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- General Induction Heating (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области теплотехники и предназначено для предупреждения образования солевых отложений (накипи) на оболочках трубчатых электронагревателей (ТЭНов) при нагреве и кипячении воды, а также может быть использовано при производстве различных электрических водонагревателей, использующих ТЭНы.The invention relates to the field of heat engineering and is intended to prevent the formation of salt deposits (scale) on the shells of tubular electric heaters (heating elements) when heating and boiling water, and can also be used in the manufacture of various electric water heaters using heating elements.
Первичная накипь, образующаяся на оболочках ТЭНов, в 3-5 раз уменьшает срок их службы за счет перегрева их спиралей и оболочек. Особенно большие проблемы с первичной накипью возникают при непрерывном нагреве и кипячении жесткой проточной воды, когда скорость ее образования на оболочках достигает 0,2-0,4 мм в сутки, а срок службы ТЭНов не превышает одного месяца.The primary scale formed on the shells of the heating elements 3-5 times reduces their service life due to overheating of their spirals and shells. Particularly big problems with primary scum arise with continuous heating and boiling of hard running water, when its rate of formation on the shells reaches 0.2-0.4 mm per day, and the service life of the heating elements does not exceed one month.
Для оболочек ТЭНов (малых поверхностей нагрева) задача борьбы с первичной накипью решается в промышленности не так часто и в основном за счет предварительной химической водоподготовки или магнитной обработки воды. Но эта проблема сегодня становится актуальной, т.к. в последние годы резко увеличивается количество потребителей, использующих электроэнергию для нагрева и кипячения воды в бытовых и промышленных условиях. Поэтому решение проблемы защиты оболочек ТЭНов от первичной накипи с начала их эксплуатации без дополнительного сложного оборудования водоподготовки, а за счет простых электротехнических устройств, позволило бы в несколько раз увеличить срок их службы, сэкономить сотни миллионов киловатт электроэнергии и уменьшить влияние на природу.For shells of heating elements (small heating surfaces), the task of controlling primary scum is not so often solved in industry and mainly due to preliminary chemical water treatment or magnetic treatment of water. But this problem is becoming relevant today, because in recent years, the number of consumers using electricity to heat and boil water in domestic and industrial conditions has increased dramatically. Therefore, the solution to the problem of protecting TEN shells from primary scale from the beginning of their operation without additional sophisticated water treatment equipment, and due to simple electrical devices, would increase their service life several times, save hundreds of millions of kilowatts of electricity and reduce their environmental impact.
Известны способы и устройства защиты от первичной накипи за счет предварительной водоподготовки, основанные на пропускании воды через магнитное поле, вектор индукции которого перпендикулярен направлению движения воды (см. Авторские свидетельства СССР №№544616, 626044, 565883, 1066674, 1537647, книги Магнитная обработка воды, изд. Судостроение, Ленинград, 1969 г. Авт. П.С.Стукалов, Е.В.Васильев, Н.А.Глебов; Омагничивание водных систем, изд. Химия, Москва, 1978 г. Авт. В.И.Классен; Электромагнитная обработка воды в теплоэнергетике, изд. Вища школа, Харьков, 1981 г. Авт. В.И.Миненко; Обработка воды магнитным полем в теплоэнергетике, изд. Энергия, Москва, 1970 г. Авт. Е.Ф.Тебенихин, Б.Т.Гусев, АИНФ 146 (ОБ), изд. ЦНИИ информатики и технико-экономических исследований по атомной науке и технике, Москва, 1973 г.). Указанные способы и устройства предусматривают разнесение во времени процессов обработки воды магнитным полем и ее нагрева, т.е. магнитная обработка воды осуществляется до попадания ее в бак для нагрева. При этом антинакипные свойства обработанной магнитным полем воды существенно зависят от многих факторов, включая время года, климатические условия, время между магнитной обработкой воды и ее нагревом, химический состав воды, время обработки воды магнитным полем и т.д. Поэтому в настоящее время нет общей теории магнитной обработки воды для теплоэнергетики и нет универсальных устройств, пригодных для магнитной обработки воды с меняющимся химическим составом.Known methods and devices for protection against primary scale due to preliminary water treatment, based on passing water through a magnetic field, the induction vector of which is perpendicular to the direction of water movement (see USSR author's certificates No. 5444616, 626044, 565883, 1066674, 1537647, books Magnetic water treatment , publishing house Shipbuilding, Leningrad, 1969. Authors P.S. Stukalov, E.V. Vasiliev, N.A. Glebov; Magnetization of water systems, ed.Chemistry, Moscow, 1978 Aut.V.I. Klassen ; Electromagnetic treatment of water in the power system, ed. Vishcha school, Kharkov, 1981 Aut. .I. Minenko; Magnetic field water treatment in heat power engineering, Energia publishing house, Moscow, 1970 Authors E.F. Tebenikhin, B.T. Gusev, AINF 146 (OB), publishing house of the Central Research Institute of Informatics and feasibility studies in atomic science and technology, Moscow, 1973). These methods and devices provide for the separation in time of the processes of water treatment by a magnetic field and its heating, i.e. magnetic treatment of water is carried out before it enters the tank for heating. Moreover, the anti-scale properties of water treated with a magnetic field substantially depend on many factors, including the time of year, climatic conditions, the time between magnetic treatment of water and its heating, the chemical composition of water, the time of treatment of water with a magnetic field, etc. Therefore, at present, there is no general theory of magnetic treatment of water for thermal power and there are no universal devices suitable for magnetic treatment of water with a changing chemical composition.
Основным недостатком данных способов и устройств защиты от первичной накипи является нестабильность результатов при изменении химического состава воды, результат может быть как положительным, так и отрицательным.The main disadvantage of these methods and devices of protection against primary scale is the instability of the results when the chemical composition of the water changes; the result can be either positive or negative.
Известен трубчатый электронагреватель с собственной защитой от первичной накипи, представленный в патенте РФ на полезную модель №52994. Трубчатый электронагреватель, описанный в указанном патенте, содержит нагревательный элемент, выполненный в виде спирали, соединенной своими концами с контактными стержнями и запрессованной вместе с ними и наполнителем в ферромагнитную оболочку. Оболочка герметизирована в торцах и снабжена на концах электрическими изоляторами и элементами крепления к баку водонагревателя, при этом на концах оболочки с внешней, торцовой или внутренней стороны закреплены постоянные магниты или электромагниты. Указанные магниты обеспечивают в обычных ТЭНах намагничивание их оболочек, которые формируют собственное магнитное поле, обеспечивающее обработку воды магнитным полем в зоне ее нагрева и во время нагрева. Воздействие на нагреваемую воду относительно сильным магнитным полем обеспечивает кристаллизацию солей из воды практически полностью в ее объеме (в зоне нагрева) и защиту оболочек ТЭНов от первичной накипи.Known tubular heater with its own protection against primary scale, presented in the patent of the Russian Federation for utility model No. 52994. The tubular electric heater described in the aforementioned patent comprises a heating element made in the form of a spiral connected at its ends to contact rods and pressed together with them and the filler into a ferromagnetic shell. The shell is sealed at the ends and provided with electrical insulators and fastening elements to the tank of the water heater at the ends, while permanent magnets or electromagnets are fixed to the ends of the shell from the outer, end or inner sides. These magnets provide magnetization in ordinary heating elements for their shells, which form their own magnetic field, which provides the treatment of water with a magnetic field in its heating zone and during heating. The impact on the heated water with a relatively strong magnetic field ensures the crystallization of salts from water almost completely in its volume (in the heating zone) and protects the shells of the heating elements from primary scale.
Недостатком данного технического решения является необходимость применения дополнительных постоянных магнитов, например из редкоземельных материалов, предельная температура применения которых не превышает 150°С, что существенно ограничивает область их практического применения. Любой перегрев ТЭНа и указанных постоянных магнитов приводит к потере магнитных свойств постоянных магнитов и ликвидации системы защиты оболочки ТЭНа от первичной накипи. Применение дополнительных электромагнитов, обмотки которых включены последовательно с нагревательным элементом, существенно усложняет конструкцию ТЭНа и изменяет технологию их изготовления.The disadvantage of this technical solution is the need to use additional permanent magnets, for example from rare-earth materials, the maximum temperature of which does not exceed 150 ° C, which significantly limits the scope of their practical application. Any overheating of the heater and the specified permanent magnets leads to the loss of magnetic properties of the permanent magnets and the elimination of the protection system of the heater shell from primary scale. The use of additional electromagnets, the windings of which are connected in series with the heating element, significantly complicates the design of the heater and changes the technology for their manufacture.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является ТЭН, представленный в патенте РФ на полезную модель №78023.Closest to the claimed invention is the heater, presented in the patent of the Russian Federation for utility model No. 78023.
ТЭН с защитой оболочки от первичной накипи, в указанном патенте, устанавливаемый на неферромагнитный бак водонагревателя при помощи элементов крепления, содержит нагревательный элемент в виде спирали, концы которой соединены с контактными стержнями, запрессованной вместе с ними и наполнителем в ферромагнитную оболочку, герметизированную в торцах и снабженную на концах электрическими изоляторами и элементами крепления к баку водонагревателя, и генератор магнитного поля, намагничивающий оболочку ТЭНа. В качестве генератора магнитного поля используется спираль нагревательного элемента, которая при протекании по ней электрического тока является соленоидом, формирующим магнитное поле, которое может быть использовано для намагничивания ферромагнитной оболочки ТЭНа.The heater with the protection of the shell from primary scale, in the said patent, mounted on a non-ferromagnetic tank of a water heater using fasteners, contains a heating element in the form of a spiral, the ends of which are connected to contact rods, pressed together with them and a filler in a ferromagnetic shell, sealed at the ends and equipped at the ends with electrical insulators and fasteners to the tank of the water heater, and a magnetic field generator that magnetizes the heater shell. As a generator of a magnetic field, a spiral of a heating element is used, which, when an electric current flows through it, is a solenoid that forms a magnetic field, which can be used to magnetize the ferromagnetic shell of a heating element.
Для этого введен, по крайней мере, один дополнительный ферромагнитный элемент, расположенный так, что общее магнитное сопротивление цепи, включающей спираль и оболочку, и/или параметры магнитного поля, формируемого спиралью, обеспечивали намагничивание оболочки, по крайней мере, до технического насыщения.For this, at least one additional ferromagnetic element is introduced, which is located so that the total magnetic resistance of the circuit including the spiral and the shell, and / or the parameters of the magnetic field formed by the spiral, ensure the magnetization of the shell, at least until technical saturation.
Недостатком указанного технического решения является ограниченное его применение, т.к. ТЭН по указанной полезной модели сохраняет «антинакипные» свойства только при креплении его на неферромагнитный бак водонагревателя. При креплении на ферромагнитный бак водонагревателя защитные свойства у ТЭНа исчезают. Обусловлено это тем, что магнитный поток, формируемый спиралью нагревательного элемента, замыкается в этом случае не через оболочку ТЭНа, а через ферромагнитный бак водонагревателя, и это исключает формирование собственного магнитного поля оболочки, обеспечивающего обработку воды в зоне нагрева и во время ее нагрева.The disadvantage of this technical solution is its limited use, because TEN according to the specified utility model retains “anti-scale” properties only when it is mounted on a non-ferromagnetic tank of a water heater. When mounted on a ferromagnetic tank, the protective properties of the heating elements disappear. This is due to the fact that the magnetic flux generated by the spiral of the heating element is closed in this case not through the heater shell, but through the ferromagnetic tank of the water heater, and this eliminates the formation of the own magnetic field of the shell, which provides water treatment in the heating zone and during its heating.
Целью предлагаемого изобретения является создание ТЭНов с минимальными изменениями их конструкции, обеспечивающих простую, надежную и эффективную защиту их оболочек от первичной накипи, и, следовательно, с повышенным КПД и сроком службы, с сохранением существующей технологии изготовления, с существенным увеличением температуры их применения, устанавливаемых на бак водонагревателя из любого материала.The aim of the invention is the creation of heating elements with minimal changes in their design, providing simple, reliable and effective protection of their shells from primary scale, and, therefore, with increased efficiency and service life, while maintaining the existing manufacturing technology, with a significant increase in the temperature of their application, established on a tank of a heater from any material.
Техническая задача изобретения - использовать для защиты от первичной накипи оболочки ТЭНа собственное магнитное поле, создаваемое спиралью нагревательного элемента, по которой протекает электрический ток, независимо от материала бака водонагревателя. Для этого необходимо организовать такую магнитную цепь, в которой материал бака водонагревателя не влиял бы на параметры внешнего намагничивающего магнитного поля оболочки, формируемого спиралью нагревательного элемента.The technical task of the invention is to use its own magnetic field to protect the primary scum of the TEN shell, created by the spiral of the heating element through which electric current flows, regardless of the material of the tank of the water heater. For this, it is necessary to organize a magnetic circuit in which the material of the tank of the heater would not affect the parameters of the external magnetizing magnetic field of the shell formed by the spiral of the heating element.
Поставленная задача решается тем, что в ТЭНе с собственной защитой от первичной накипи, содержащем нагревательный элемент в виде спирали, концы которой соединены с контактными стержнями, запрессованной вместе с ними и наполнителем в ферромагнитную оболочку, герметизированную в торцах и снабженную на концах электрическими изоляторами и элементами крепления к корпусу водонагревателя, а также генератор магнитного поля, в котором в качестве генератора магнитного поля используется спираль нагревательного элемента, указанная спираль нагревательного элемента выполнена, по крайней мере, из двух смежных приблизительно одинаковых секций, которые имеют противоположные направления навивки.The problem is solved in that in a heating element with its own protection from primary scale containing a heating element in the form of a spiral, the ends of which are connected to contact rods, pressed together with them and a filler in a ferromagnetic shell, sealed at the ends and equipped at the ends with electrical insulators and elements fastenings to the body of the water heater, as well as a magnetic field generator, in which a heating element spiral, the indicated heating coil is used as a magnetic field generator masticatory member is formed by at least two approximately equal contiguous sections which have opposite directions of winding.
В другом варианте выполнения изобретения поставленная задача решается тем, что в ТЭНе с собственной защитой от первичной накипи, содержащем нагревательный элемент в виде спирали, концы которой соединены с контактными стержнями, запрессованной вместе с ними и наполнителем в ферромагнитную оболочку, герметизированную в торцах и снабженную на концах электрическими изоляторами и элементами крепления к корпусу водонагревателя, а также генератор магнитного поля, в котором в качестве генератора магнитного поля используется спираль нагревательного элемента, указанная спираль нагревательного элемента выполнена, по крайней мере, из двух смежных приблизительно одинаковых секций, имеющих одинаковые направления навивки, разделенных прямолинейным, или зигзагообразно изогнутым, или имеющим противоположное направление навивки участком, длиной не менее трех внутренних диаметров оболочки, выполненным из того же проводника, что и спираль нагревательного элемента.In another embodiment of the invention, the problem is solved in that in a heating element with its own protection from primary scale, containing a heating element in the form of a spiral, the ends of which are connected to contact rods, pressed together with them and a filler in a ferromagnetic shell, sealed at the ends and equipped with ends with electrical insulators and fasteners to the body of the heater, as well as a magnetic field generator, in which a heating spiral is used as a magnetic field generator of an element, said spiral of the heating element is made of at least two adjacent approximately identical sections having the same winding directions, separated by a straight line, or zigzag bent, or having an opposite direction of winding, a length of at least three inner shell diameters made from the same conductor as the spiral of the heating element.
Для гарантированного технического насыщения оболочки независимо от относительной магнитной проницаемости оболочки, внутрь витков каждой из секций спирали введен ферромагнитный прямолинейный стержень, изолированный от витков спирали, имеющий длину, равную (0,01-0,1) общей длины спирали, и диаметр, равный (0,2-0,9) внутреннего диаметра спирали. Указанный стержень может быть частью ферромагнитного контактного стержня.For guaranteed technical saturation of the shell, regardless of the relative magnetic permeability of the shell, a ferromagnetic rectilinear rod isolated from the turns of the spiral, having a length equal to (0.01-0.1) of the total length of the spiral, and a diameter equal to ( 0.2-0.9) of the inner diameter of the spiral. The specified rod may be part of a ferromagnetic contact rod.
Изобретение основано на том факте, что если по оболочке ТЭНа пропустить незначительный магнитный поток, сформированный спиралью нагревательного элемента, по которой протекает постоянный или переменный электрический ток промышленной сети, то оболочка не покрывается первичной накипью даже при непрерывном нагреве проточной воды при температуре 65-85 град.С и удельной поверхностной мощности оболочки 20-25 Вт/см2 (обычно предельная величина для оболочек ТЭНов составляет 15 Вт/см2). Это объясняется тем, что оболочка намагничивается и создает собственное магнитное поле, параметры которого могут в тысячи раз превышать параметры внешнего намагничивающего магнитного поля. Собственное магнитное поле оболочки и обеспечивает магнитную обработку воды непосредственно в зоне ее нагрева и во время нагрева. Поскольку удельную поверхностную мощность оболочки обычно ограничивают 15 Вт/см2 с учетом будущей накипи, то в нашем случае указанный показатель можно довести до 20-25 Вт/см2, т.к. на оболочке не будет первичной накипи, что позволит повысить технико-экономические показатели оборудования, использующего предлагаемые ТЭНы. Как показали наши исследования, этого магнитного поля спирали вполне достаточно для борьбы с первичной накипью на оболочках, выполненных из ферромагнитного материала.The invention is based on the fact that if an insignificant magnetic flux generated by the spiral of a heating element, through which a direct or alternating electric current of an industrial network flows, is passed through the shell of the heating element, then the shell is not covered by primary scale even with continuous heating of running water at a temperature of 65-85 degrees .C and the specific surface power of the shell 20-25 W / cm 2 (usually the limit value for the shells of the heating elements is 15 W / cm 2 ). This is because the shell is magnetized and creates its own magnetic field, the parameters of which can be thousands of times higher than the parameters of the external magnetizing magnetic field. Own magnetic field of the shell and provides magnetic treatment of water directly in the zone of its heating and during heating. Since the specific surface power of the shell is usually limited to 15 W / cm 2 , taking into account future scale, in our case this indicator can be brought up to 20-25 W / cm 2 , because there will be no primary scale on the shell, which will improve the technical and economic indicators of equipment using the proposed heating elements. As our studies have shown, this magnetic field of the spiral is quite enough to combat primary scale on shells made of ferromagnetic material.
В существующих обычных ТЭНах магнитные потоки, которые определяются магнитным полем, формируемым спиралью нагревательного элемента, замыкаются практически не по оболочке, а по воздуху между концами контактных стержней U-образного ТЭНа, и/или ферромагнитному корпусу водонагревателя, и/или ферромагнитному шунту (крышке), который может находиться на малом расстоянии от концов контактных стержней и т.д.In existing conventional heating elements, magnetic fluxes, which are determined by the magnetic field generated by the spiral of the heating element, are closed practically not by the shell, but by air between the ends of the contact rods of the U-shaped heating element and / or the ferromagnetic body of the water heater and / or ferromagnetic shunt (cover) which may be at a small distance from the ends of the contact rods, etc.
В прототипе указанные потоки замыкаются по оболочке, но только для случая крепления ТЭНов на неферромагнитном баке водонагревателя. Для устранения влияния ферромагнитного бака водонагревателя на параметры внешнего намагничивающего оболочку магнитного поля спирали нагревательного элемента достаточно исключить подключение двух магнитных полюсов (концов спирали) к баку водонагревателя за счет организации нескольких электромагнитов (участков спирали) и намагничивания отдельных участков оболочки магнитными полями, сформированными смежными секциями спирали. На практике достаточно иметь две секции спирали, выполненные с различным направлением навивки либо одинаковым направлением навивки, разделенные коротким прямолинейным, зигзагообразным или с противоположным направлением навивки участком. Зигзагообразный участок спирали, выполненный в одной плоскости, и иные указанные участки имеют большое магнитное сопротивление, исключающее протекание магнитного потока в контуре секций спирали.In the prototype, these flows are closed along the shell, but only for the case of mounting the heating elements on the non-ferromagnetic tank of the water heater. To eliminate the influence of the ferromagnetic tank of the heater on the parameters of the external magnetizing shell of the magnetic field of the spiral of the heating element, it is sufficient to exclude the connection of two magnetic poles (ends of the spiral) to the tank of the heater due to the organization of several electromagnets (sections of the spiral) and magnetization of individual sections of the shell by magnetic fields formed by adjacent sections of the spiral . In practice, it is enough to have two sections of the spiral, made with different directions of winding or the same direction of windings, separated by a short straight, zigzag or with the opposite direction of winding section. The zigzag section of the spiral, made in one plane, and other indicated sections have a high magnetic resistance, eliminating the flow of magnetic flux in the contour of the sections of the spiral.
Разбиение спирали, например, на две секции с противоположным направлением навивки обеспечивает образование двух электромагнитов с независимыми контурами протекания магнитных потоков. Тогда приблизительно одинаковые по амплитуде векторы индукции магнитных полей, формируемых этими участками спирали, будут направлены навстречу друг другу. В этом случае магнитному потоку, определяемому магнитным полем, формируемому каждой из секций, независимо от полярности питающего напряжения, остается практически одна единственная цепь замыкания - по своей прилегающей части ферромагнитной оболочки. По отношению к ферромагнитной оболочке рассматриваемые магнитные поля являются внешними и обеспечивают формирование собственных магнитных полей участков ферромагнитной оболочки, параметры которых в тысячи раз могут превышать параметры магнитных полей, создаваемых указанными секциями спирали нагревательного элемента. Этот принцип положен в основу изобретения.The splitting of the spiral, for example, into two sections with the opposite direction of winding provides the formation of two electromagnets with independent contours of the flow of magnetic fluxes. Then approximately the same in amplitude vectors of induction of magnetic fields formed by these sections of the spiral will be directed towards each other. In this case, the magnetic flux determined by the magnetic field generated by each of the sections, regardless of the polarity of the supply voltage, remains with almost one single circuit of closure - in its adjacent part of the ferromagnetic shell. In relation to the ferromagnetic shell, the magnetic fields under consideration are external and provide the formation of intrinsic magnetic fields of the sections of the ferromagnetic shell, the parameters of which can be thousands of times higher than the parameters of the magnetic fields generated by the indicated sections of the heating element spiral. This principle is the basis of the invention.
Аналогичным образом работает защита оболочки от первичной накипи и при одинаковом направлении навивки секций спирали и дополнительных участков спирали нагревательного элемента. Вода, окружающая оболочку ТЭНа, находится под действием собственных магнитных полей оболочки. Воздействие магнитных полей на воду приводит к изменению кинетики кристаллизации солей из воды при ее нагреве и обеспечивает исключение образования первичной накипи на поверхности всей ферромагнитной оболочки.Similarly, the protection of the shell from primary scale works in the same direction of winding of the spiral sections and additional sections of the spiral of the heating element. The water surrounding the TENA shell is under the influence of its own magnetic fields. The effect of magnetic fields on water leads to a change in the kinetics of crystallization of salts from water when it is heated and ensures the elimination of the formation of primary scale on the surface of the entire ferromagnetic shell.
Собственное магнитное поле оболочки (и других ферромагнитных элементов), силовой характеристикой которого является вектор магнитной индукции, создается молекулами ферромагнитной оболочки, находящейся во внешнем намагничивающем магнитном поле указанной спирали, и обусловлено существованием у молекул магнитных моментов. Вектор индукции результирующего магнитного поля в оболочке (или отдельных ее участках) равен векторной сумме векторов магнитных индукций намагничивающего и внутреннего магнитных полей. Магнитный поток в рассматриваемой магнитной цепи будет определяться в основном воздушными зазорами, а также ферромагнитными элементами (контактными стержнями, оболочкой, штуцерами, гайками и шайбами, дополнительными кольцами, полосами, стержнями и т.д.), входящими по аналогии с прототипом в состав этой цепи.The intrinsic magnetic field of the shell (and other ferromagnetic elements), the strength characteristic of which is the magnetic induction vector, is created by the molecules of the ferromagnetic shell located in the external magnetizing magnetic field of this spiral, and is due to the existence of magnetic moments in the molecules. The induction vector of the resulting magnetic field in the shell (or its individual sections) is equal to the vector sum of the magnetic induction vectors of the magnetizing and internal magnetic fields. The magnetic flux in the magnetic circuit under consideration will be determined mainly by air gaps, as well as ferromagnetic elements (contact rods, shell, fittings, nuts and washers, additional rings, strips, rods, etc.), which, by analogy with the prototype, make up this chains.
Техническим результатом такого решения является увеличение в сотни раз времени обработки воды собственным магнитным полем оболочки при относительно высокой температуре и сокращение до нулевого значения интервала времени между обработкой воды и ее нагревом. При этом обработка воды магнитным полем в каждый момент времени осуществляется не в полном ее объеме, а только в ее части, попадающей в зону нагрева, а защита от накипи включается автоматически в момент подачи питающего напряжения на контактные стержни и работает без сбоя в течение всего срока службы ТЭНа.The technical result of this solution is to increase the water treatment time by a factor of hundreds by the own magnetic field of the shell at a relatively high temperature and reduce the time interval between the water treatment and its heating to zero. Moreover, the treatment of water with a magnetic field at each moment of time is not carried out in its entirety, but only in its part falling into the heating zone, and the anti-scale protection is automatically switched on at the moment of supplying voltage to the contact rods and works without failure for the entire period TEN services.
Возможный механизм защиты от первичной накипи поверхности оболочки ТЭНа может протекать следующим образом. Поскольку граница раздела двух сред (поверхность нагрева - вода) находится в собственном магнитном поле, создаваемом ферромагнитной оболочкой ТЭНа, то выделение накипеобразователей происходит не на поверхности теплообмена (оболочке) в виде первичной накипи, а в объеме воды на границе двух сред в виде подвижного мелкодисперсного шлама. Кроме того, одним из продуктов коррозии ферромагнитных подводящих труб является гидроокись железа Fe(OH)3*nH2O, которая в результате дегидратации при повышенной температуре может переходить в подкласс сложных оксидов железа Fe3O4 (магнетит). В отсутствие магнитного поля слой гидроокиси железа с поверхности теплообмена постоянно смывается водой. Если же поверхность теплообмена находится в магнитном поле, то гидроокись железа образует на ней изолирующий слой, препятствующий проникновению кислорода в более глубокие слои без снижения ее теплопроводности. В этих условиях на поверхности оболочки образуется слой магнетита, который защищает ее дополнительно от коррозии.A possible mechanism of protection against primary scale of the surface of the TENA shell can proceed as follows. Since the interface between the two media (heating surface - water) is in its own magnetic field created by the ferromagnetic shell of the heating element, the formation of scale generators does not occur on the heat exchange surface (shell) in the form of primary scale, but in the volume of water at the interface of the two media in the form of a finely moving sludge. In addition, one of the corrosion products of ferromagnetic supply pipes is iron hydroxide Fe (OH) 3 * nH 2 O, which, as a result of dehydration at elevated temperature, can become a subclass of complex iron oxides Fe 3 O 4 (magnetite). In the absence of a magnetic field, a layer of iron hydroxide from the heat exchange surface is constantly washed off with water. If the heat exchange surface is in a magnetic field, then iron hydroxide forms an insulating layer on it, preventing the penetration of oxygen into deeper layers without reducing its thermal conductivity. Under these conditions, a magnetite layer forms on the surface of the shell, which further protects it from corrosion.
Далее изобретение поясняется чертежами, на которых представлены примеры возможных выполнений «безнакипного» ТЭНа в соответствии с изобретением.The invention is further illustrated by the drawings, which show examples of possible embodiments of a “non-scaled” electric heating element in accordance with the invention.
На Фиг.1 схематически изображен U-образный ТЭН со спиралью нагревательного элемента, состоящей из двух секций, имеющих противоположные направления навивки (точки возле концов секций спирали указывают на противоположное направление навивки).Figure 1 schematically shows a U-shaped heater with a heating element spiral, consisting of two sections having opposite directions of winding (points near the ends of the sections of the spiral indicate the opposite direction of winding).
На Фиг.2 представлена схема магнитной цепи U-образного ТЭНа, показанного на Фиг.1.Figure 2 presents a diagram of the magnetic circuit of a U-shaped heater, shown in Figure 1.
На Фиг.3 схематически изображен U-образный ТЭН со спиралью нагревательного элемента, состоящей из двух секций, разделенных прямолинейным участком провода и имеющих одинаковые направления навивки (точки возле концов секций спирали указывают на одинаковое направление навивки).Figure 3 schematically shows a U-shaped heater with a heating element spiral, consisting of two sections separated by a straight section of wire and having the same winding directions (points near the ends of the spiral sections indicate the same winding direction).
На Фиг.4 представлена схема магнитной цепи ТЭНа, показанного на Фиг.3.Figure 4 presents a diagram of the magnetic circuit of the heating element shown in Figure 3.
На Фиг.5 и 6 схематически показано расположение дополнительного ферромагнитного элемента внутри секции спирали и его выполнение, когда он является составной частью ферромагнитного контактного стержня.Figure 5 and 6 schematically shows the location of the additional ferromagnetic element inside the spiral section and its implementation when it is an integral part of the ferromagnetic contact rod.
U-образный ТЭН на Фиг.1 состоит из нагревательного элемента 1, выполненного в виде спирали, разбитой на две секции 1а и 1b, имеющие противоположные направления навивки, что на чертеже схематически показано точками, как встречное включение двух секций. Концы спирали соединены с контактными стержнями 2, с помощью которых нагревательный элемент соединяется с питающей сетью. Спираль нагревательного элемента 1 вместе с контактными стержнями 2 и наполнителем 3 запрессована в ферромагнитную оболочку 4. С помощью штуцеров 5 с крепежными гайками 6 ТЭН крепится к баку 7 водонагревателя. Выступающие концы контактных стержней 2 помещены в электрические изоляторы 8, закрепленные шайбами 9 с гайками 10. Ферромагнитная оболочка 4 ТЭНа находится в контакте с нагреваемой водой 11.The U-shaped heater in FIG. 1 consists of a
Магнитная цепь такого ТЭНа, представленная на Фиг.2, содержит генератор магнитного поля, состоящий из двух секций спирали нагревательного элемента 1а и 1b, имеющих внутренние магнитные сопротивления Rmc1 и Rmc2, магнитные сопротивления Rm1 и Rm2 воздушных зазоров между концами ферромагнитных контактных стержней 2 и оболочкой 4, магнитное сопротивление Rm3 воздушного зазора между концами ферромагнитных контактных стержней, выступающих за пределы оболочки (если контактные стержни выполнены из неферромагнитного материала, то сопротивление Rm3 равно 0, а магнитные сопротивления Rm1 и Rm2 определяются воздушными зазорами между концами спирали 1 и оболочкой 4). Разбиение спирали на две секции обеспечивает образование двух электромагнитов и введение в магнитную цепь магнитных сопротивлений Rm4, Rm5 (магнитные сопротивления воздушного зазора между концами секций 1а и 1b спирали и оболочкой 4) и магнитного сопротивления Rm6 (магнитного сопротивления воздушного зазора между концами встречно включенных секций 1а и 1b). Такое построение магнитной цепи ТЭНа позволяет образовать два практически независимых контура протекания магнитных потоков, генерируемых секциями спирали нагревательного элемента при протекании по ней электрического тока:The magnetic circuit of such a heater, shown in FIG. 2, contains a magnetic field generator consisting of two sections of a spiral of the
Первый контур:First circuit:
- первый полюс (с точкой) левой секции спирали 1а - ферромагнитный контактный стержень 2 - магнитное сопротивление Rm1 воздушного зазора - оболочка 4 - магнитное сопротивление Rm4 воздушного зазора - второй полюс левой секции спирали 1а;- the first pole (with a point) of the left section of the spiral 1a - ferromagnetic contact rod 2 - the magnetic resistance Rm1 of the air gap - shell 4 - the magnetic resistance Rm4 of the air gap - the second pole of the left section of the
Второй контур:Second circuit:
- первый полюс правой секции спирали 1b - ферромагнитный контактный стержень 2 - магнитное сопротивление Rm2 воздушного зазора - оболочка 4 - магнитное сопротивление Rm5 воздушного зазора - второй полюс правой секции спирали 1b.- the first pole of the right section of the spiral 1b - ferromagnetic contact pin 2 - the magnetic resistance Rm2 of the air gap - shell 4 - the magnetic resistance Rm5 of the air gap - the second pole of the right section of the
Видно, что магнитные потоки обоих контуров замыкаются через прилегающие к ним участки ферромагнитной оболочки 4 ТЭНа и участки оболочки намагничиваются соответственно в направлениях индукции В1 и В2, представленных на Фиг.2. В этом заключается основное отличие заявляемого ТЭНа от известных ТЭНов, с обычной спиралью, представляющей один электромагнит, полюса которого расположены на концах одной спирали, и магнитный поток замыкается не по оболочке, а по ферромагнитному баку водонагревателя либо по воздушному зазору между концами ферромагнитных контактных стержней, минуя оболочку. Это является причиной того, что магнитное поле спирали обычного ТЭНа и прототипа не оказывает влияния на образование накипи на его ферромагнитной оболочке.It can be seen that the magnetic fluxes of both circuits are closed through the adjacent sections of the
В заявляемом изобретении секции спирали нагревательного элемента 1а и 1b образуют два электромагнита, одни полюса которых расположены у концов оболочки 4, а вторые полюса расположены приблизительно в середине оболочки, и разделены между собой относительно большим магнитным сопротивлением, что в конечном итоге исключает шунтирование ферромагнитным баком водонагревателя магнитного потока, формируемого отдельными секциями спирали нагревательного элемента.In the claimed invention, the spiral sections of the
Поскольку выполнение описанного варианта требует некоторого изменения технологии изготовления спирали за счет изменения направления навивки спирали, далее предложен вариант с одинаковым направлением навивки спирали смежных секций.Since the implementation of the described option requires some change in the technology of manufacturing the spiral by changing the direction of winding the spiral, the following is a variant with the same direction of winding the spiral of adjacent sections.
На Фиг.3 представлена схема ТЭНа с двумя секциями спирали, имеющими одинаковое направление навивки и разделенными прямолинейным участком, приближенным к оболочке для улучшения теплоотвода от него. Длина этого прямолинейного участка составляет не менее 3-х внутренних диаметров оболочки. Это обусловлено тем, что магнитные сопротивления Rm4, Rm5 пропорциональны радиусу внутреннего диаметра оболочки и внутреннему периметру оболочки, а магнитное сопротивление Rm6 - внутреннему диаметру спирали и длине указанного участка. Прямолинейный участок проводника образует магнитное сопротивление Rm6 большой величины. В этом случае каждый участок спирали нагревательного элемента также представляет собой автономный соленоид (электромагнит). Векторы магнитной индукции В1 и В2 этих соленоидов направлены согласно (по оболочке в одну сторону). На Фиг.4 показана схема магнитной цепи для случая согласного включения секций спирали. В этом варианте магнитные потоки участков спирали протекают по следующим цепям:Figure 3 presents a diagram of a heating element with two sections of a spiral having the same winding direction and separated by a rectilinear section close to the shell to improve heat removal from it. The length of this straight section is at least 3 inner diameters of the shell. This is due to the fact that the magnetic resistances Rm4, Rm5 are proportional to the radius of the inner diameter of the shell and the inner perimeter of the shell, and the magnetic resistance Rm6 is proportional to the inner diameter of the spiral and the length of this section. The rectilinear section of the conductor forms a large magnetic resistance Rm6. In this case, each section of the spiral of the heating element also represents an autonomous solenoid (electromagnet). The magnetic induction vectors B1 and B2 of these solenoids are directed according to (along the shell in one direction). Figure 4 shows a magnetic circuit diagram for the case of consonant inclusion of sections of the spiral. In this embodiment, the magnetic fluxes of the sections of the spiral flow through the following chains:
- первый полюс левой секции спирали 1а - ферромагнитный контактный стержень 2 - магнитное сопротивление воздушного зазора Rm1 - левая часть оболочки 4 - магнитное сопротивление воздушного зазора Rm4 - второй полюс левой секции спирали 1b;- the first pole of the left section of the spiral 1a - ferromagnetic contact rod 2 - the magnetic resistance of the air gap Rm1 - the left part of the shell 4 - the magnetic resistance of the air gap Rm4 - the second pole of the left section of the
- первый полюс правой секции спирали 1b (находящийся рядом с сопротивлением Rm6) - магнитное сопротивление воздушного зазора Rm5 - правая часть оболочки 4 - магнитное сопротивление воздушного зазора Rm2 - ферромагнитный контактный стержень 2 - второй полюс правой секции спирали 1b.- the first pole of the right section of the
Направления векторов намагниченности участков оболочки совпадают между собой и обеспечивают получение полюсов суммарного собственного магнитного поля оболочки на ее концах. Относительно большое магнитное сопротивление Rm6 исключает протекание магнитного потока в контуре секций и создает условия для организации практически двух независимых цепей протекания магнитных потоков.The directions of the magnetization vectors of the shell sections coincide and provide poles of the total intrinsic magnetic field of the shell at its ends. The relatively large magnetic resistance Rm6 eliminates the flow of magnetic flux in the section circuit and creates the conditions for the organization of almost two independent circuits for the flow of magnetic fluxes.
При изготовлении ТЭНа на операции обжима, при которой происходит удлинение оболочки, особенно при малых диаметрах провода спирали, могут возникнуть проблемы с ее механической прочностью. Поэтому для устранения этого недостатка, особенно при малых диаметрах провода спирали, в изобретении предусмотрено изготовление рассматриваемого участка зигзагообразной формы, приближенного к оболочке для улучшения теплоотвода от него.In the manufacture of a heater for crimping operations, in which the elongation of the sheath occurs, especially with small diameters of the spiral wire, problems with its mechanical strength may occur. Therefore, to eliminate this drawback, especially with small diameters of the spiral wire, the invention provides for the manufacture of the considered section of a zigzag shape close to the shell to improve heat dissipation from it.
Еще следует рассмотреть вариант изготовления рассматриваемого участка в виде нескольких витков, навитых в противоположную сторону относительно секций спирали, что является лучшим решением, но усложняющим технологию изготовления спирали.You should also consider the option of manufacturing the considered section in the form of several turns, wound in the opposite direction relative to the sections of the spiral, which is the best solution, but complicating the technology of manufacturing the spiral.
При изготовлении оболочек ТЭНов применяются различные марки сталей с различным направлением прокатки и различной технологией отжига, поэтому величина максимальной относительной магнитной проницаемости µ материала оболочки может изменяться в широком диапазоне (200-7000). Кроме того, µ зависит от величины магнитной индукции оболочки (см. кривую Столетова). Поэтому для обеспечения гарантированного намагничивания оболочки независимо от используемых материалов, при любом из вышеописанных вариантов изготовления спирали нагревательного элемента, дополнительно введен ферромагнитный прямолинейный стержень внутрь витков каждой секции спирали на ее прямолинейном участке, изолированный от витков спирали. На Фиг.5 показан отрезок спирали 1 с наполнителем 3. Внутри витков спирали помещен ферромагнитный прямолинейный стержень 12. На Фиг.6 указанный ферромагнитный прямолинейный стержень 12 укреплен на конце контактного стержня 2 или является его элементом.In the manufacture of TEN shells, various steel grades with different rolling directions and various annealing technologies are used, therefore, the maximum relative magnetic permeability μ of the shell material can vary over a wide range (200-7000). In addition, µ depends on the magnitude of the magnetic induction of the shell (see the Stoletov curve). Therefore, to ensure guaranteed magnetization of the shell regardless of the materials used, for any of the above-described manufacturing options for the spiral of the heating element, a ferromagnetic straight-line rod is additionally inserted inside the turns of each section of the spiral in its straight section, isolated from the turns of the spiral. Figure 5 shows a segment of a
Введение указанного стержня обеспечивает увеличение магнитной индукции спирали (индукции внешнего намагничивающего поля) в К раз, гдеThe introduction of the indicated rod provides an increase in the magnetic induction of the spiral (induction of the external magnetizing field) by a factor of K, where
µ - относительная магнитная проницаемость материала стержня 12, d - диаметр стержня, D - внутренний диаметр спирали. Например, при d=0,2 D, для µ=250, К=10. При d=0,8 D, для µ=250, К=160. Коэффициент К характеризует увеличение индукции магнитного поля спирали за счет введения указанного ферромагнитного стержня внутрь спирали, что, в свою очередь, обеспечивает гарантированное техническое насыщение оболочки 4.µ is the relative magnetic permeability of the material of the
Длина стержня 12 определяется в основном технологией производства и принимается обычно величиной в несколько сантиметров. Кроме того, в качестве материала стержня 12 следует применять материал, точка Кюри которого превышает максимальную рабочую температуру стержня 12, в противном случае исчезает доменная структура ферромагнитных материалов, способность намагничиваться и создавать собственное магнитное поле. Указанный стержень 12 может быть размещен на любом прямолинейном участке спирали 1a, 1b, включая место у торца контактного стержня 2. Кроме того, стержень 12 может быть изготовлен как элемент самого контактного стержня 2, если контактные стержни выполнены из ферромагнитного материала.The length of the
Предлагаемое изобретение позволяет производить ТЭНы с собственной защитой от первичной накипи, независимо от материала бака водонагревателя, при этом не требуется химводоподготовки или предварительной обработки воды магнитным полем, и в 3-5 раз увеличивается срок службы ТЭНа даже при увеличении его удельной поверхностной мощности.The present invention allows the production of heating elements with their own protection from primary scale, regardless of the material of the tank of the water heater, without the need for chemical water treatment or preliminary treatment of water with a magnetic field, and the life of the heating elements is 3-5 times longer even with an increase in its specific surface power.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008149745/09A RU2385552C1 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Heating coil with protection against primary scale (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008149745/09A RU2385552C1 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Heating coil with protection against primary scale (versions) |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2385552C1 true RU2385552C1 (en) | 2010-03-27 |
Family
ID=42138491
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008149745/09A RU2385552C1 (en) | 2008-12-16 | 2008-12-16 | Heating coil with protection against primary scale (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2385552C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195429U1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-01-28 | Александр Ефимович Прокофьев | Limescale heater heater protection device |
-
2008
- 2008-12-16 RU RU2008149745/09A patent/RU2385552C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU195429U1 (en) * | 2019-10-21 | 2020-01-28 | Александр Ефимович Прокофьев | Limescale heater heater protection device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4299701A (en) | Magnetic fluid treating apparatus | |
| US4659479A (en) | Electromagnetic water treating device | |
| JP2010255865A (en) | Heating device and hot water supply device | |
| CA2043650C (en) | Electromagnetic device for heating metal elements | |
| CA2867087A1 (en) | Heating element | |
| KR20100098410A (en) | Controlled electric induction heating of an electrically conductive workpiece in a solenoidal coil with flux compensators | |
| US7704364B2 (en) | Full wave rectified power water treatment device | |
| US7315011B2 (en) | Magnetic heating device | |
| RU2385552C1 (en) | Heating coil with protection against primary scale (versions) | |
| JP2015021723A (en) | Water heater with high frequency electromagnetic heating device | |
| CN205305157U (en) | High -efficient electromagnetic heating pipe | |
| RU78023U1 (en) | PETN WITH A PROTECTED COVER FROM SCALES, INSTALLED ON A NON-FERROMAGNETIC TANK OF A WATER HEATER | |
| KR101914975B1 (en) | Apparatus for preventing corrosion inside steel pipe using electromagnetic field | |
| CN203288375U (en) | Iron core structure of low-heat-radiation electromagnet | |
| CN102423751A (en) | Solidification device for welding seam coating of metal can body | |
| CN202310439U (en) | Intermediate frequency electric furnace magnet yoke | |
| Roginskaya et al. | Features of the calculation of inductors for heating cylindrical surfaces with an additional conductive medium with a slot | |
| AU2018424294B2 (en) | Armoured cable for transporting alternate current with permanently magnetised armour wires | |
| WO2016175683A3 (en) | Method of treating liquids with electric fields | |
| Patil et al. | A Critical review on different coil configurations used for induction heating system | |
| RU2355973C2 (en) | Method of protecting ferromagnetic tubes of water heaters, boilers and heat exchangers against primary scale and device for its implementation | |
| WO2015009285A1 (en) | Systems and methods for reducing corrosion in a reactor system using electromagnetic fields | |
| RU155819U1 (en) | DEVICE FOR PROTECTION AND CLEANING OF HEAT AND POWER ENGINEERING EQUIPMENT FROM NECIPE FORMATION AND CORROSION | |
| KR102698146B1 (en) | The induction heater for the liquid heating by the induction heating metal plate | |
| RU2810528C1 (en) | Electromagnetic induction pump for liquid conductive media |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151217 |