RU171171U1

RU171171U1 - INDUCTION TOROIDAL LIQUID HEATER

Info

Publication number: RU171171U1
Application number: RU2017104166U
Authority: RU
Inventors: Лев Захарович Дударев
Original assignee: Лев Захарович Дударев
Priority date: 2017-02-08
Filing date: 2017-02-08
Publication date: 2017-05-23

Abstract

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована в системах отопления зданий, для горячего водоснабжения и в технологических процессах с подогревом жидкостей, где требуется обеспечить малый градиент температур между нагревателем и нагреваемой жидкостью.Полезная модель является устройством, содержащим тороидальный ферримагнитный сердечник прямоугольного сечения 1 с внутренней полостью по длине сердечника, разделенной на камеры перегородками 10 с треугольными отверстиями 12 с каждой стороны, электрическую обмотку сердечника 2, выполненную изолированным проводом, входной патрубок для подачи во внутреннюю полость сердечника нагреваемой жидкости 3 и выходной патрубок для нагретой жидкости 4.Предлагаемое устройство работает следующим образом.Напряжение переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц и 220/380 В подаётся на обмотку из изолированных проводов 2, которая создает электромагнитное силовое поле.Вместе с магнитным потоком 14 возникает электрический ток 15, который замыкается в сердечнике 1 по контуру в плоскости витков обмотки и разогревает корпус. Для отвода полученного тепла через входной патрубок 3 подается холодная жидкость, которая после прохождения по примерной траектории 13 через камеры 11 внутренней полости корпуса в подогретом виде выводится через выходной патрубок 4.3 ил.The utility model relates to the field of electric heating and can be used in heating systems of buildings, for hot water supply and in technological processes with heating liquids, where it is required to provide a small temperature gradient between the heater and the heated liquid. A useful model is a device containing a toroidal rectangular ferrimagnetic core 1 with an internal cavity along the length of the core, divided into chambers by partitions 10 with triangular openings 12 on each side, A core winding 2 made by an insulated wire, an inlet pipe for supplying a heated liquid 3 to the inner cavity of the core, and an outlet pipe for a heated liquid 4. The proposed device operates as follows. AC voltage of industrial frequency 50/60 Hz and 220/380 V is supplied to a winding of insulated wires 2, which creates an electromagnetic force field. Together with the magnetic flux 14, an electric current 15 occurs, which closes in the core 1 along the contour in the plane of the winding turns and times grevaet body. To remove the received heat through the inlet pipe 3, cold liquid is supplied, which, after passing along an approximate path 13 through the chambers 11 of the inner cavity of the housing, is heated through the outlet pipe 4.3 sludge.

Description

Полезная модель относится к области электрического нагрева и может быть использована системах отопления зданий, для горячего водоснабжения и в технологических процессах с подогревом жидкостей, где требуется обеспечить малый градиент температур между нагревателем и нагреваемой жидкостью.The utility model relates to the field of electric heating and can be used in building heating systems, for hot water supply and in technological processes with heating liquids, where it is required to provide a small temperature gradient between the heater and the heated liquid.

Полезная модель является устройством, содержащим тороидальный ферримагнитный сердечник прямоугольного сечения с внутренней полостью по длине сердечника, разделенной на камеры перегородками с треугольными отверстиями с каждой стороны, электрическую обмотку сердечника, выполненную изолированным проводом, входной патрубок для подачи во внутреннюю полость сердечника нагреваемой жидкости и выходной патрубок для нагретой жидкости.A utility model is a device containing a toroidal ferrimagnetic core of rectangular cross section with an internal cavity along the length of the core, divided into chambers by partitions with triangular openings on each side, an electrical core winding made by an insulated wire, an inlet pipe for supplying a heated fluid to the inner cavity of the core, and an outlet pipe for heated fluid.

По уровню техники известны изобретения и полезные модели подобных устройств и назначения.The prior art inventions and utility models of such devices and purposes.

Патент на изобретение RU 2337279 С1, опубл. 27.10.2008 г. Вихревой индукционный нагреватель воды или воздуха. Предназначается для нагрева воды или воздуха в сельском хозяйстве, строительстве и других областях применения. Устройство содержит индуктор промышленной частоты, вихревую камеру в виде пакета пластин из ферримагнитного материала, размещённого в ее рабочем объеме с зазором между пластинами для прохода воды или воздуха с периферийным завихрителем и входным и выходным патрубками. На поверхности пластин нанесены микроканалы.Patent for invention RU 2337279 C1, publ. 10/27/2008 Vortex induction heater of water or air. Intended for heating water or air in agriculture, construction and other fields of application. The device comprises an industrial frequency inductor, a vortex chamber in the form of a package of plates made of ferrimagnetic material, placed in its working volume with a gap between the plates for the passage of water or air with a peripheral swirl and inlet and outlet pipes. Microchannels are applied on the surface of the plates.

Недостатком устройства является низкая эффективность нагрева воды или воздуха, обусловленная тем, что внешний индуктор промышленной частоты не может равномерно прогреть весь пакет пластин с зазорами между ними. Завихрение воды или воздуха в вихревой камере не приводит к передаче этого процесса в пространство с узкими зазорами между пластинами и, таким образом, не достигает цели - повышения эффективности теплопередачи путем завихрения нагреваемой воды или воздуха.The disadvantage of this device is the low efficiency of heating water or air, due to the fact that the external inductor of industrial frequency cannot uniformly warm the entire package of plates with gaps between them. The swirling of water or air in a vortex chamber does not lead to the transfer of this process into a space with narrow gaps between the plates and, thus, does not reach the goal of increasing the efficiency of heat transfer by swirling the heated water or air.

Патент US 3414698 от 3 декабря 1968 г. Высоковольтный трансформатор в качестве нагревателя жидкости. Устройство содержит первичную высоковольтную обмотку, размещенную на тороидальном сердечнике из пакета водопроводных труб, которые одновременно являются вторичной обмоткой трансформатора. Устройство предназначено для подогрева воды в бассейнах для плавания.US patent 3414698 from December 3, 1968. High-voltage transformer as a fluid heater. The device contains a primary high-voltage winding located on the toroidal core from a package of water pipes, which are simultaneously the secondary winding of the transformer. The device is intended for heating water in swimming pools.

Недостатком конструкции устройства является необходимость выполнения высоких требований к обеспечению электробезопасности, большая металлоемкость и большое магнитное сопротивление сердечника, что снижает коэффициент мощности и полезного действия устройства.The disadvantage of the design of the device is the need to meet high requirements for ensuring electrical safety, high metal consumption and high magnetic resistance of the core, which reduces the power factor and efficiency of the device.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является патент на изобретение RU2267869 C1, опубл. 10.01.2006 г. Проточный индукционный нагреватель жидкостей. Содержит тороидальную обмотку индуктора, наложенную на сердечник, отличающийся тем, что сердечник состоит из тонкостенного трубчатого змеевика из нержавеющей стали, служащего для увеличения поверхности теплоотдачи, на змеевик наложенаиграющая роль магнитопровода и нагревательного элемента, обмотка из стальной ленты, в результате чего в тепловыделении участвует весь объем ферримагнетика; для улучшения теплоотдачи от сердечника нагревателя используется проволочная спираль, введенная в просвет трубы змеевика, приводящая к дополнительной циркуляции жидкости. Недостатком конструкции является использование для теплообмена труб из нержавеющей стали, обладающих значительно меньшей теплопроводностью, чем стальные трубы, и изготовление магнитопровода и нагревательного элемента в виде обмотки из стальной ленты, что является достаточно сложным технологическим процессом.The closest analogue to the claimed utility model is the patent for invention RU2267869 C1, publ. 01/10/2006. Flowing induction fluid heater. It contains a toroidal inductor winding superimposed on the core, characterized in that the core consists of a thin-walled tubular coil made of stainless steel, which serves to increase the heat transfer surface, the playing role of the magnetic circuit and the heating element is imposed on the coil, the winding is made of steel tape, as a result of which the whole volume of ferrimagnet; To improve heat transfer from the heater core, a wire spiral is used, introduced into the lumen of the coil pipe, leading to additional fluid circulation. The design drawback is the use of stainless steel pipes for heat transfer, which have significantly lower thermal conductivity than steel pipes, and the manufacture of a magnetic circuit and a heating element in the form of a winding from steel tape, which is a rather complicated process.

Предлагаемая полезная модель по совокупности существенных признаков отличается от аналога тем, что сердечник прямоугольной формы в поперечном сечении содержит внутреннюю полость по всей длине сердечника с толщиной стенок, при которых формируемая обмоткой энергия электромагнитного поля поглощается на 99% в ферримагнитном материале сердечника и превращается в тепло. Внутренняя полость разделяется поперечными перегородками на камеры, в перегородках попеременно в верхней и нижней части по ходу движения жидкости выполнены треугольные отверстия, обеспечивающие движение жидкости по диагонали камер с турболизацией жидкости по всей внутренней полости сердечника от входного к выходному патрубку нагревателя жидкости.The proposed utility model, in terms of the set of essential features, differs from the analogue in that the rectangular cross-sectional core contains an internal cavity along the entire length of the core with wall thickness, at which the electromagnetic field energy generated by the winding is absorbed by 99% in the ferrimagnetic material of the core and turns into heat. The internal cavity is divided by transverse partitions into chambers, triangular openings are made in the partitions in the upper and lower parts along the fluid flow, providing fluid movement along the diagonal of the chambers with fluid turbolization throughout the entire internal cavity of the core from the inlet to the outlet of the fluid heater.

Предлагаемая полезная модель направлена на решение технической задачи создания устройства, обеспечивающего получение следующего технического результата.The proposed utility model is aimed at solving the technical problem of creating a device that provides the following technical result.

Создание электрического индукционного тороидального нагревателя жидкостей с меньшей стоимостью и трудозатратами с использованием при изготовлении стандартных деталей из каталога стального трубопроката и стального листа.Creation of an electric induction toroidal heater of liquids with lower cost and labor costs using standard parts from the catalog of steel pipe rolling and steel sheet in the manufacture.

Получение эффективной теплопередачи между нагреваемым ферримагнитным сердечником и нагреваемой жидкостью с минимальным градиентом температур и без выпадения накипи на стенках внутренней полости сердечника, а также иметь возможность безопасного подогрева горючих жидкостей.Obtaining effective heat transfer between a heated ferrimagnetic core and a heated liquid with a minimum temperature gradient and without loss of scale on the walls of the inner cavity of the core, as well as being able to safely heat flammable liquids.

Указанные технические задачи и решения взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности признаков для получения необходимого технического результата – устройства, обеспечивающего эффективное нагревание жидкостей в заявленной области применения с высоким КПД и коэффициентом мощности, малой металлоемкостью, надежностью работы и возможностью организации массового производства.The indicated technical problems and solutions are interconnected with the formation of a stable set of features to obtain the necessary technical result - a device that provides effective heating of liquids in the claimed field of application with high efficiency and power factor, low metal consumption, reliable operation and the possibility of organizing mass production.

Предлагаемое техническое решение поясняется следующими чертежами.The proposed technical solution is illustrated by the following drawings.

На фигуре 1 показан индукционный тороидальный нагреватель жидкостей в сборе с сердечником 1, индукционной катушкой 2, входным 3 и выходным 4 патрубками.The figure 1 shows the induction toroidal fluid heater assembly with the core 1, induction coil 2, input 3 and output 4 nozzles.

На фигуре 2 показаны сборочные детали индукционного торидального нагревателя жидкостей, включающие нижнюю часть сердечника 5, внутреннюю стенку 6 с поперечными перегородками 11, внешнюю стенку 7, верхнюю стенку 8 с входным и выходным отверстиями для жидкости 9 и входной 3 и выходной 4 патрубки для подключения к внешней сети.The figure 2 shows the assembly parts of the induction toroidal fluid heater, including the lower part of the core 5, the inner wall 6 with transverse partitions 11, the outer wall 7, the upper wall 8 with inlet and outlet openings for the liquid 9 and inlet 3 and outlet 4 nozzles for connection to external network.

На фигуре 3 показана схема, поясняющая принцип работы индукционного тороидального нагревателя жидкостей с сердечником 1 с внутренней полостью, разделенной перегородками 10 на камеры 11 с треугольными отверстиями в перегородках 12 и примерной траекторией движения жидкости 13.Figure 3 shows a diagram explaining the principle of operation of an induction toroidal fluid heater with a core 1 with an internal cavity divided by partitions 10 into chambers 11 with triangular openings in the partitions 12 and an approximate trajectory of the fluid 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.The proposed device operates as follows.

Напряжение переменного тока промышленной частоты 50/60 Гц, 220/380 В подаётся на обмотку из изолированных проводов 2, которая создает электромагнитное силовое поле.An alternating current voltage of industrial frequency 50/60 Hz, 220/380 V is supplied to the winding from insulated wires 2, which creates an electromagnetic force field.

Магнитная составляющая поля создает магнитный поток, который сосредотачивается в сердечнике во внешнем поверхностном слое, глубина которого меньше рассчитанной толщины стенки сердечника. The magnetic component of the field creates a magnetic flux, which is concentrated in the core in the outer surface layer, the depth of which is less than the calculated core wall thickness.

Магнитный поток замыкается по контуру тороида ортогонально к плоскости витков обмотки. Вместе с магнитным потоком 14, в этом же слое возникает электрический ток 15, который замыкается в сердечнике по контуру в плоскости витков обмотки и разогревает корпус. Толщина стенок сердечника выбирается исходя из критерия, что формируемая обмоткой энергия электромагнитного поля будет поглощаться в ферримагнитном материале сердечника на 99%. Количество образуемого тепла в соответствии с законом Джоуля-Ленца будет пропорционально электрическому сопротивлению материала ферримагнитного сердечника и силе тока во второй степени.The magnetic flux is closed along the contour of the toroid orthogonally to the plane of the turns of the winding. Together with the magnetic flux 14, an electric current 15 arises in the same layer, which closes in the core along the contour in the plane of the winding turns and heats the case. The wall thickness of the core is selected based on the criterion that the energy of the electromagnetic field generated by the winding will be absorbed in the ferrimagnetic material of the core by 99%. The amount of heat generated in accordance with the Joule-Lenz law will be proportional to the electrical resistance of the material of the ferrimagnetic core and the current strength to the second degree.

Для отвода полученного тепла через входной патрубок 3 подается холодная жидкость, которая после прохождения через камеры внутренней полости сердечника в подогретом виде выводится через выходной патрубок 4. Степень нагрева жидкости зависит от объема, скорости движения, теплоемкости жидкости и количества камер во внутренней полости сердечника. Важным параметром при определении количества камер для заданного значения выходной температуры жидкости является также параметры вязкости жидкости и требования по допустимому парообразованию.To remove the received heat through the inlet pipe 3, cold liquid is supplied, which, after passing through the chambers of the inner cavity of the core, is heated out through the outlet pipe 4. The degree of heating of the liquid depends on the volume, speed, heat capacity of the liquid and the number of chambers in the inner cavity of the core. An important parameter in determining the number of chambers for a given value of the liquid outlet temperature is also the liquid viscosity parameters and requirements for permissible vaporization.

Попеременное направление движения жидкости в камерах и треугольная форма входных и выходных отверстий в перегородках способствуют усиленной турбулизации жидкости, что обеспечивает эффективную теплопередачу от стенок сердечника в нагреваемую жидкость.The alternating direction of fluid movement in the chambers and the triangular shape of the inlet and outlet openings in the partitions contribute to enhanced turbulization of the fluid, which ensures efficient heat transfer from the core walls to the heated fluid.

Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет применить не только простые технологические схемы массового производства, но и получить при этом лучшие результаты по эффективности действия по показателям полезного действия, коэффициенту мощности, надёжности и долговечности конструкции.Thus, the proposed utility model allows you to apply not only simple technological schemes of mass production, but also get the best results in terms of efficiency in terms of efficiency, power factor, reliability and durability of the structure.

Предлагаемая полезная модель была изготовлена и испытана на практике с использованием стандартного промышленного оборудования. Конструктивные элементы, необходимые при сборке предложенного индукционного тороидального нагревателя жидкостей, комплектуются в соответствии с разработанными рабочими чертежами.The proposed utility model was manufactured and tested in practice using standard industrial equipment. The structural elements necessary for assembling the proposed induction toroidal fluid heater are completed in accordance with the developed working drawings.

Claims

An induction toroidal fluid heater having a toroidal inductor winding superimposed on the core, characterized in that the rectangular cross-sectional core contains an internal cavity along the entire length of the core with wall thickness, in which the electromagnetic field energy generated by the winding is absorbed by 99% in the ferromagnetic material of the core and turns into heat, the internal cavity is divided by transverse partitions into chambers, in the partitions alternately in the upper and lower parts in the direction of travel Nia liquid formed triangular openings providing fluid movement diagonally chambers with agitation of the liquid over the entire inner cavity of the core from the inlet to the outlet fluid conduit heater.