PL245932B1

PL245932B1 - Induction boiler

Info

Publication number: PL245932B1
Application number: PL439308A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Konopka; Zdzisław Konopka
Original assignee: Zakl Elektroniki I Automatyki Przemyslowej Elkon Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2021-10-26
Filing date: 2021-10-26
Publication date: 2024-11-04
Also published as: PL439308A1

Abstract

Kocioł indukcyjny zawierający ferromagnetyczny rdzeń kubkowy z umieszczonym na nim uzwojeniem elektrycznym (1), podłączonym do zmiennego prądu elektrycznego w którym budowa rdzenia zapewnia przestrzeń (7 i 5) dla przepływu nagrzewanej cieczy charakteryzuje się tym, że wewnątrz uzwojenia (1), które korzystnie stanowią rurki z materiału przewodzącego prąd, znajduje się przestrzeń dla dodatkowego przepływu ogrzewanej cieczy, która to przestrzeń jest połączona jest z przestrzenią (7 i 5) rdzenia. Kocioł może zawierać zwarte drugie uzwojenie (2) umieszczone na rdzeniu, wewnątrz tego uzwojenia (2) znajduje się przestrzeń dla dodatkowego przepływu ogrzewanej cieczy, która to przestrzeń jest połączona z przestrzenią wewnątrz uzwojenia (1).An induction boiler comprising a ferromagnetic cup core with an electric winding (1) placed thereon, connected to an alternating electric current, wherein the structure of the core provides a space (7 and 5) for the flow of heated liquid, is characterized in that inside the winding (1), which preferably consists of tubes made of an electrically conductive material, there is a space for an additional flow of heated liquid, which space is connected to the space (7 and 5) of the core. The boiler may comprise a short-circuited second winding (2) placed on the core, inside this winding (2) there is a space for an additional flow of heated liquid, which space is connected to the space inside the winding (1).

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest kocioł indukcyjny przeznaczony do podgrzewania czynnika grzejnego poprzez nagrzewanie materiału ferromagnetycznego w polu magnetycznym.The subject of the invention is an induction boiler designed for heating a heating medium by heating a ferromagnetic material in a magnetic field.

Z opisów patentowych WO 2009/050631, WO 2013/119137 A1, lub PL224946 znane są rozwiązania kotłów indukcyjnych, wykorzystujących zjawisko nagrzewania rdzenia stalowego w polu magnetycznym wytwarzanym przez zmienny prąd elektryczny płynący w uzwojeniu umieszczonym na tym rdzeniu, przy czym rdzeń wykonany jest z rur stalowych, wewnątrz których przepływa ciecz nagrzewająca się od tego rdzenia. Kształt rdzenia tworzy zamknięty obwód magnetyczny. Jest zatem wykorzystana zasada transformatora z uzwojeniem pierwotnym, czyli pracującym na biegu jałowym, a straty w rdzeniu wykorzystywane są do nagrzewania cieczy przepływającej przez ten rdzeń. Kształt materiału, z którego wykonany jest rdzeń (rura, czy przekrój wielokątny), nie ma znaczenia merytorycznego, a jedynie wygodniej jest kształtować go z rury niż z profilu stalowego o innym przekroju. Opisane wyżej konstrukcje nie wykorzystują do nagrzewania cieczy energii cieplnej wytwarzanej w uzwojeniu.Patent descriptions WO 2009/050631, WO 2013/119137 A1, or PL224946 describe solutions for induction boilers that use the phenomenon of heating a steel core in a magnetic field generated by an alternating electric current flowing in a winding placed on the core, where the core is made of steel pipes, inside which a liquid heated by the core flows. The shape of the core creates a closed magnetic circuit. Therefore, the principle of a transformer with a primary winding is used, i.e. one that works at idle speed, and the losses in the core are used to heat the liquid flowing through the core. The shape of the material from which the core is made (pipe or polygonal cross-section) is of no substantive significance, and it is only more convenient to shape it from a pipe than from a steel profile with a different cross-section. The structures described above do not use the thermal energy generated in the winding to heat the liquid.

Celem wynalazku jest konstrukcja kotła indukcyjnego, który miałby wysoką sprawność energetyczną, przewyższającą dotychczasowe rozwiązania. Celem wynalazku jest zatem minimalizacja strat energetycznych występujących w znanych kotłach indukcyjnych.The aim of the invention is to design an induction boiler that would have high energy efficiency, exceeding previous solutions. The aim of the invention is therefore to minimize energy losses occurring in known induction boilers.

Istota wynalazkuThe essence of the invention

Kocioł indukcyjny zawiera ferromagnetyczny rdzeń kubkowy z umieszczonym na nim uzwojeniem elektrycznym, podłączonym do zmiennego prądu elektrycznego, w którym budowa rdzenia zapewnia przestrzeń dla przepływu nagrzewanej cieczy. Istota wynalazku polega na tym, że wewnątrz uzwojenia, które korzystnie stanowią rurki z materiału przewodzącego prąd, znajduje się przestrzeń dla dodatkowego przepływu ogrzewanej cieczy, która to przestrzeń jest połączona z przestrzenią rdzenia.The induction boiler comprises a ferromagnetic cup core with an electric winding placed thereon, connected to an alternating electric current, in which the structure of the core provides space for the flow of heated liquid. The essence of the invention is that inside the winding, which preferably consists of tubes of a material conducting electricity, there is space for an additional flow of heated liquid, which space is connected to the space of the core.

Korzystnie kocioł zawiera zwarte drugie uzwojenie umieszczone na rdzeniu, wewnątrz którego znajduje się przestrzeń dla dodatkowego przepływu ogrzewanej cieczy, która to przestrzeń jest połączona z przestrzenią wewnątrz uzwojenia. Korzystnie drugie uzwojenie stanowią rurki z materiału przewodzącego prąd.Preferably, the boiler comprises a compact second winding arranged on the core, inside which there is a space for an additional flow of heated liquid, which space is in communication with the space inside the winding. Preferably, the second winding comprises tubes of an electrically conductive material.

Korzystnie, że uzwojenie zasilane jest z generatora średniej lub wysokiej częstotliwości z płynną regulacją mocy, korzystnie zawierającego przetwornicę tranzystorową.Preferably, the winding is powered from a medium or high frequency generator with smooth power regulation, preferably containing a transistor converter.

Korzystnie wokół zewnętrznej ściany rdzenia znajduje się izolacja termiczna.Preferably, thermal insulation is provided around the outer wall of the core.

Zaletą wynalazku jest to, iż dodatkowo wykorzystano ciepło wytwarzane w uzwojeniu magnesującym rdzeń oraz w przypadku korzystnej postaci wynalazku w drugim uzwojeniu zwartym. Korzystnym skutkiem wprowadzenia drugiego uzwojenia jest optymalizacja energii cieplnej wydzielanej w obwodzie magnetycznym w zależności od rodzaju stali, z której wykonany jest rdzeń.The advantage of the invention is that additionally the heat generated in the winding magnetizing the core and in the case of the preferred embodiment of the invention in the second short-circuited winding is used. The beneficial effect of introducing the second winding is the optimization of the thermal energy released in the magnetic circuit depending on the type of steel from which the core is made.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony na rysunku, gdzie:The subject of the invention is shown in the drawing, where:

fig. 1 przedstawia przekrój kotła indukcyjnego, fig. 2 przedstawia schemat ideowy kotła indukcyjnego z zasilaniem.Fig. 1 shows a cross-section of the induction boiler, Fig. 2 shows a schematic diagram of the induction boiler with power supply.

Kocioł indukcyjny w pierwszym przykładzie wykonania przedstawionym w przekroju na fig. 1 zawiera ferromagnetyczny rdzeń kubkowy 4. Rdzeń 4 korzystnie wykonany jest z współosiowych rur stalowych o profilu kołowym lub innym wielokątnym tworzących ściany 4.1, 4.2, 4.3 oraz tarcz stalowych 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8 i 4.9 zwierających końce ścian, dzięki czemu uzyskano zamknięty obwód magnetyczny. Na rdzeniu kubkowym 4 znajduje się magnesujące uzwojenie 1, które podłączone jest do generatora prądu średniej lub wysokiej częstotliwości 12 (fig. 2). Uzwojenie 1 wykonane jest z materiału przewodzącego prąd, na przykład z metalowych, korzystnie z miedzianych rurek, przez co wewnątrz rurek utworzona jest przestrzeń umożliwiająca przepływ cieczy. W rdzeniu 4 znajdują się przestrzenie 5, 6, 7 utworzone przez jego ściany. Wewnętrzna przestrzeń 5 utworzona jest przez ścianę 4.1 i tarczę 4.8 i połączona jest w sposób umożliwiający przepływ z przestrzenią 7 utworzoną przez ściany 4.2 i 4.3 oraz tarcze 4.6. Tarcza 4.9 zamyka obwód magnetyczny tworzony przez ścianki 4.2 i 4.3 i jest perforowana dla umożliwienia przepływu cieczy pomiędzy przestrzenią 7 i 5. Uzwojenie 1 znajduje się w przestrzeni 6 utworzonej przez ściany 4.1 i 4.2 oraz tarcze 4.4 i 4.7. Przestrzeń 6 wypełniona jest powietrzem. Do i z rurek uzwojenia 1 prowadzą wlot 8 i wylot 9 cieczy, np. oleju. Korzystnie wlot 8 i wylot 9 znajdują się u góry rdzenia 4. Do przestrzeni 7 wokół prowadzą wloty 10 cieczy. Z kolei z przestrzeni 5 znajdującej się wewnątrz rdzenia kubkowego 4 prowadzi wylot lub prowadzą wyloty 11. Wokół zewnętrznej ściany 4.3 rdzenia 4 korzystnie znajduje się izolacja termiczna 3.The induction boiler in the first embodiment shown in cross-section in Fig. 1 comprises a ferromagnetic cup core 4. The core 4 is preferably made of coaxial steel tubes of circular or other polygonal profile forming walls 4.1, 4.2, 4.3 and steel discs 4.4, 4.5, 4.6, 4.7, 4.8 and 4.9 short-circuiting the ends of the walls, thanks to which a closed magnetic circuit is obtained. On the cup core 4 there is a magnetizing winding 1, which is connected to a medium or high frequency current generator 12 (Fig. 2). The winding 1 is made of a current-conducting material, for example metal, preferably copper tubes, due to which a space is created inside the tubes allowing the flow of liquid. In the core 4 there are spaces 5, 6, 7 formed by its walls. The inner space 5 is formed by the wall 4.1 and the disc 4.8 and is in fluid communication with the space 7 formed by the walls 4.2 and 4.3 and the discs 4.6. The disc 4.9 closes the magnetic circuit formed by the walls 4.2 and 4.3 and is perforated to allow the flow of liquid between the space 7 and 5. The winding 1 is located in the space 6 formed by the walls 4.1 and 4.2 and the discs 4.4 and 4.7. The space 6 is filled with air. An inlet 8 and an outlet 9 for liquid, e.g. oil, lead to and from the winding tubes 1. The inlet 8 and outlet 9 are preferably located at the top of the core 4. The space 7 is surrounded by liquid inlets 10. In turn, one or more outlets 11 lead from the space 5 located inside the cup-shaped core 4. Thermal insulation 3 is preferably located around the outer wall 4.3 of the core 4.

Kocioł indukcyjny 13 według wynalazku ujawnionego w pierwszym przykładzie działa w ten sposób, że rdzeń kubkowy 4 wraz z uzwojeniem 1 tworzą zamknięty obwód magnetyczny. Uzwojenie 1 podłączone jest do generatora prądu 12. Wewnątrz uzwojenia 1 przepływa ciecz, np. olej, kierowana przez wlot 8, która nagrzewa się w wyniku przepływu prądu przez uzwojenie i od prądów wirowych indukowanych w uzwojeniu. Ciecz ta następnie wypływa przez wylot 9 i kierowana jest przez wlot 10 do przestrzeni 7 rdzenia kubkowego 4, gdzie podlega dalszemu ogrzaniu w wyniku nagrzewania rdzenia ferromagnetycznego od prądów wirowych indukowanych w rdzeniu i strat mocy histerezowych w rdzeniu 4. Następnie z przestrzeni 7 ciecz przepływa do przestrzeni 5 we wnętrzu rdzenia kubkowego 4, gdzie podlega dalszemu dogrzewaniu od indukowanych w nim prądów i przemagnesowania. Następnie docelowo nagrzana ciecz wyprowadzana jest z kotła przez wylot 11. Obieg cieczy na fig. 1 ilustrują strzałki.The induction boiler 13 according to the invention disclosed in the first example operates in such a way that the cup core 4 together with the winding 1 form a closed magnetic circuit. The winding 1 is connected to a current generator 12. Inside the winding 1 a liquid, e.g. oil, flows, directed through the inlet 8, which is heated as a result of the current flowing through the winding and from the eddy currents induced in the winding. This liquid then flows out through the outlet 9 and is directed through the inlet 10 to the space 7 of the cup core 4, where it is further heated as a result of the heating of the ferromagnetic core from the eddy currents induced in the core and hysteresis power losses in the core 4. Then from the space 7 the liquid flows to the space 5 inside the cup core 4, where it is further heated from the currents induced therein and from the remagnetization. Then the heated liquid is discharged from the boiler through outlet 11. The liquid circulation in Fig. 1 is illustrated by arrows.

Cieczą nagrzewaną przez kocioł indukcyjny 13 może być olej termalny lub inny odpowiedni olej. Typowo ciecz nagrzewa się do temperatury 130°C wymaganej w instalacjach ciepłowniczych. W przemysłowych instalacjach gorącego oleju wymagana jest temperatura 180°C i taką temperaturę można uzyskać w kotle według wynalazku. Wysokość temperatury jest ograniczona parametrami nagrzewanej cieczy i potrzebami technologicznymi. Nagrzana ciecz kierowana jest do wymiennika ciepła i dalej do instalacji grzewczej. Ciecz jest także zwykle zwana czynnikiem grzejnym.The liquid heated by the induction boiler 13 may be thermal oil or other suitable oil. Typically, the liquid is heated to a temperature of 130°C required in heating installations. In industrial hot oil installations, a temperature of 180°C is required and such a temperature can be achieved in the boiler according to the invention. The temperature is limited by the parameters of the heated liquid and the technological needs. The heated liquid is directed to a heat exchanger and then to the heating installation. The liquid is also commonly called a heating medium.

W drugim, korzystnym przykładzie wykonania kocioł indukcyjny 13 dodatkowo, w stosunku do przykładu pierwszego, oprócz uzwojenia 1, posiada drugie uzwojenie elektryczne 2, które jest również, podobnie jak uzwojenie 1 umieszczone w przestrzeni 6 rdzenia kubkowego 4. Uzwojenie 2 jest zwarte i również zapewnia przepływ cieczy przez swoje wnętrze. Uzwojenie 2 jest w tym przykładzie wykonane z przewodzących prąd rurek, korzystnie rurek miedzianych. Korzystnie uzwojenie 2 umieszczone jest na rdzeniu w pobliżu uzwojenia 1. W tym przykładzie uzwojenie 1 pełni funkcję uzwojenia pierwotnego a uzwojenie 2 pełni funkcję uzwojenia wtórnego.In the second, preferred embodiment, the induction boiler 13 additionally, in relation to the first embodiment, in addition to the winding 1, has a second electrical winding 2, which is also, like the winding 1, placed in the space 6 of the cup core 4. The winding 2 is compact and also ensures the flow of liquid through its interior. In this example, the winding 2 is made of electrically conductive tubes, preferably copper tubes. Preferably, the winding 2 is placed on the core near the winding 1. In this example, the winding 1 acts as the primary winding and the winding 2 acts as the secondary winding.

Kocioł indukcyjny 13 według wynalazku ujawnionego w drugim przykładzie działa w ten sposób, że rdzeń kubkowy 4 wraz z uzwojeniem 1 podłączonym do generatora prądu i uzwojeniem 2 tworzą zamknięty obwód magnetyczny. Uzwojenie 1 podłączone jest do generatora prądu 12. Wewnątrz zwartego uzwojenia 2 przepływa ciecz, np. olej, kierowana przez wlot 8, która nagrzewa się od ciepła wytwarzanego przez opór elektryczny materiału uzwojenia wtórnego, w którym indukuje się prąd i od prądów wirowych indukowanych w tym uzwojeniu. Ciecz ta następnie kierowana jest do uzwojenia 1, przez które przepływa i podlega dalszemu nagrzewaniu dzięki oporowi elektrycznemu materiału uzwojenia i prądom wirowym indukowanym w tym uzwojeniu. Następnie ciecz wypływa przez wylot 9 i kierowana jest przez wlot 10 do przestrzeni 7 rdzenia kubkowego 4, gdzie podlega dalszemu ogrzaniu. Następnie z przestrzeni 7 ciecz przepływa do przestrzeni 5 we wnętrzu rdzenia kubkowego 4, gdzie podlega dalszemu dogrzewaniu, gdyż rdzeń kubkowy 4 nagrzewa się od indukowanych w nim prądów. Następnie docelowo nagrzana ciecz wyprowadzana jest z kotła przez wylot 11.The induction boiler 13 according to the invention disclosed in the second example operates in such a way that the cup core 4 together with the winding 1 connected to the current generator and the winding 2 form a closed magnetic circuit. The winding 1 is connected to the current generator 12. Inside the short-circuited winding 2 a liquid, e.g. oil, flows, directed through the inlet 8, which is heated by the heat generated by the electrical resistance of the material of the secondary winding in which the current is induced and by the eddy currents induced in this winding. This liquid is then directed to the winding 1, through which it flows and is further heated by the electrical resistance of the winding material and the eddy currents induced in this winding. Then the liquid flows out through the outlet 9 and is directed through the inlet 10 into the space 7 of the cup core 4, where it is further heated. Then, from space 7, the liquid flows into space 5 inside the cup core 4, where it is further heated, as the cup core 4 heats up from the currents induced in it. Then, the heated liquid is finally discharged from the boiler through outlet 11.

Wlot 8 cieczy i wylot 9 zaznaczone są dla zilustrowania przepływu cieczy nagrzewanej przez uzwojenia 1 i 2 i dotyczą obiegu nagrzewanej cieczy. Pod względem elektrycznym uzwojenia te są odseparowane i tworzą oddzielne obwody elektryczne, a końcówki tych uzwojeń wyprowadzone są na zewnątrz przez otwory w tarczy 4.7. Uzwojenie 1 podłączone jest do generatora prądu wysokiej lub średniej częstotliwości, natomiast uzwojenie 2 jest zwarte. Podobnie wloty 10 oznaczają miejsce wpływania cieczy do rdzenia, a wyloty 11 oznaczają miejsce wyprowadzenia cieczy z rdzenia.The liquid inlet 8 and outlet 9 are marked to illustrate the flow of the liquid heated through the windings 1 and 2 and relate to the circulation of the heated liquid. Electrically, these windings are separated and form separate electrical circuits, and the ends of these windings are led out through holes in the disc 4.7. Winding 1 is connected to a high or medium frequency current generator, while winding 2 is short-circuited. Similarly, the inlets 10 indicate the place where the liquid enters the core and the outlets 11 indicate the place where the liquid leaves the core.

Kocioł indukcyjny 13 może także zawierać układ regulacji zawierający czujnik temperatury znajdujący się na wylocie 11 cieczy z kotła i korzystnie czujnik temperatury cieczy grzewczej na wlocie do uzwojenia kotła, połączone z regulatorem sterującym i generatorem prądu. Układ regulacji może także obejmować inne komponenty, np. czujnik temperatury rdzenia. Układ regulacji może współpracować z innymi sterującymi układami inteligentnego zarzadzania budynkiem.The induction boiler 13 may also comprise a control system comprising a temperature sensor located at the liquid outlet 11 from the boiler and preferably a temperature sensor of the heating liquid at the inlet to the boiler winding, connected to the control regulator and the current generator. The control system may also comprise other components, e.g. a core temperature sensor. The control system may cooperate with other intelligent building management control systems.

Korzystnie uzwojenie 1 kotła indukcyjnego 13 opisanego w przykładzie pierwszym i drugim podłączone jest do generatora prądu 12 wysokiej lub średniej częstotliwości z płynną regulacją mocy, dzięki czemu uzyskuje się zwiększony efekt grzewczy w porównaniu z zasilaniem bezpośrednim z sieci elektroenergetycznej o częstotliwości prądu 50 Hz. Generator taki może stanowić przetwornica tranzystorowa średniej lub wysokiej częstotliwości (fig. 2). W niniejszym opisie jako wysoką częstotliwość należy rozumieć częstotliwość w zakresie 10-200 kHz, a średnią w zakresie 2-10 kHz.Advantageously, the winding 1 of the induction boiler 13 described in the first and second examples is connected to a high or medium frequency current generator 12 with smooth power control, thanks to which an increased heating effect is achieved in comparison with direct supply from the power grid with a current frequency of 50 Hz. Such a generator may be a medium or high frequency transistor converter (fig. 2). In this description, high frequency should be understood as a frequency in the range of 10-200 kHz, and medium frequency in the range of 2-10 kHz.

Kocioł indukcyjny według wynalazku może mieć zastosowanie w technice grzewczej komunalnej np. w ogrzewaniu budynków w systemie centralnego ogrzewania. Kocioł może być podłączony do istniejących węzłów cieplnych. Ponadto kocioł może być wykorzystywany do podgrzewania oleju w instalacjach przemysłowych.The induction boiler according to the invention can be used in municipal heating technology, e.g. in heating buildings in the central heating system. The boiler can be connected to existing heating substations. In addition, the boiler can be used to heat oil in industrial installations.

Spis odnośnikówList of references

1. Uzwojenie pierwsze1. First winding

2. Uzwojenie drugie2. Second winding

3. Izolacja3. Isolation

4. Rdzeń ferromagnetyczny kubkowy4. Ferromagnetic cup core

4.1. Wewnętrzna ściana rdzenia 44.1. Inner wall of core 4

4.2. Ściana rdzenia 44.2. Core Wall 4

4.3. Zewnętrzna ściana rdzenia 44.3. Outer wall of core 4

4.4. -4.8. Tarcze zwierające ściany rdzenia 44.4. -4.8. Core wall shields 4

4.9. Tarcza perforowana ze stali łącząca ściany 4.2 i 4.34.9. Perforated steel shield connecting walls 4.2 and 4.3

5. Przestrzeń wewnątrz rdzenia kubkowego 45. Space inside the cup core 4

6. Przestrzeń dla uzwojeń 1,26. Space for windings 1,2

7. Przestrzeń zewnętrzna w rdzeniu kubkowym 47. Outer space in cup core 4

8. Wlot cieczy do uzwojenia pierwotnego 1 lub wtórnego 28. Fluid inlet to primary winding 1 or secondary winding 2

9. Wylot cieczy do uzwojenia pierwotnego 1 lub wtórnego 29. Fluid outlet to primary winding 1 or secondary winding 2

10. Wlot cieczy do przestrzeni 7 rdzenia kubkowego 410. Liquid inlet to space 7 of cup core 4

11. Wylot z przestrzeni 5 rdzenia kubkowego 411. Outlet from space 5 of cup core 4

12. Generator prądu12. Power generator

13. Kocioł indukcyjny13. Induction boiler

Claims

1. An induction boiler comprising a ferromagnetic cup core (4.1-4.9) with an electric winding (1) located thereon, connected to an alternating electric current, wherein the structure of the core (4) provides a space (7 and 5) for the flow of heated liquid, characterized in that inside the winding (1), which preferably consists of tubes made of an electrically conductive material, there is a space for an additional flow of heated liquid, which space is connected to the space (7 and 5) of the core (4).

2. An induction boiler according to claim 1, characterized in that it comprises a short-circuited second winding (2) arranged on the core (4) and in that inside this winding (2), which preferably consist of tubes made of a current-conducting material, there is a space for an additional flow of heated liquid, which space is connected to the space inside the winding (1).

3. An induction boiler according to claim 1 or 2, characterized in that the winding (1) is supplied from a medium or high frequency generator (12) with smooth power regulation, preferably comprising a transistor converter.

4. An induction boiler according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a thermal insulation (3) is provided around the outer wall (4.3) of the core (4).