RU2267869C1

RU2267869C1 - Flow inducing liquid heater

Info

Publication number: RU2267869C1
Application number: RU2004110283/09A
Authority: RU
Inventors: Ирина Михайловна Кирпичникова (RU); Ирина Михайловна Кирпичникова; Владимир Кириллович Мокеев (RU); Владимир Кириллович Мокеев; Владимир Александрович Русинов (RU); Владимир Александрович Русинов
Original assignee: Челябинский государственный агроинженерный университет (ЧГАУ)
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2006-01-10
Also published as: RU2004110283A

Abstract

FIELD: power engineering, possible use in devices for electric heating of liquids.

SUBSTANCE: device has toroidal winding of inducer, applied to core, consisting of thin-walled tubular coil pipe made of stainless steel with steel band winding applied thereto. Magnetic duct and heating element of heater are combined, and their function is realized by steel band winding. To decrease specific metal consumption down to 2-2,5 kg/kWt during operation of inductive heater, strong magnetic fields are used with strength 25-40kA/m. whole volume of ferromagnetic substance takes part in heat exhaustion. In heater, to prevent corrosion of steel and to heat up food liquids, thin-walled coil pipe is used made of stainless steel. To improve heat exhaustion from heater core to liquid flowing along coil pipe, wire spiral is used, inserted into coil pipe tube space, resulting in additional circulation of liquid.

EFFECT: construction of heater makes it possible to produce given value of temperatures difference between inner wall of coil pipe and heated liquid.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для животноводческих помещений, производственных мастерских, предприятий по переработке жидких пищевых продуктов, в сфере обслуживания, быту.The invention relates to the electric power industry and can be used in devices for electric heating of liquids for livestock buildings, production workshops, liquid food processing enterprises, in the service sector, and in everyday life.

Известен индукционный нагреватель жидкости (Яровиков И.П. Расчет индукционных нагревателей для животноводческих помещений. // Механизация и электрификация сельского хозяйства, №4, 1983) для обогрева полов и воздуха в помещениях, корпус которого содержит стальные водогазопроводные трубы, внутри которых укладывается многожильная обмотка из изолированного провода. Принцип работы нагревателя заключается в том, что при протекании переменного тока и за счет созданного им переменного магнитного поля происходит нагрев материала трубы вследствие потерь на гистерезис и вихревые токи.Known induction fluid heater (IP Yarovikov. Calculation of induction heaters for livestock buildings. // Mechanization and electrification of agriculture, No. 4, 1983) for heating floors and air in rooms, the casing of which contains steel water and gas pipes, inside which a multi-core winding is laid from an insulated wire. The principle of operation of the heater is that when the alternating current flows and due to the alternating magnetic field created by it, the pipe material is heated due to hysteresis and eddy current losses.

Известен также проточной водонагреватель жидкости (Пат. 2101882 РФ. МПК Н 05 В 6/10, F 24 H 1/10. Электроводонагревательное устройство трансформаторного типа / В.М.Кузьмин, А.В.Сериков, С.П.Бобровский // Открытия. Изобретения. 1988. №1), представляющий собой трехфазный трансформатор-нагреватель, вторичные обмотки которого замкнуты накоротко и выполнены из трех стальных труб. Торцы труб соединены между собой электропроводящими дисками, образующими совместно с внешней оболочкой трансформатора герметичную камеру, внутри которой расположен индуктор. Вода, омывая оболочку трансформатора и проходя по трубам, нагревается.Also known is a flowing liquid water heater (Pat. 2101882 RF. IPC N 05 V 6/10, F 24 H 1/10. Transformer-type electric water heater / V.M. Kuzmin, A.V. Serikov, S.P. Bobrovsky // Discoveries. Inventions. 1988. No. 1), which is a three-phase transformer-heater, the secondary windings of which are short-circuited and made of three steel pipes. The ends of the pipes are interconnected by electrically conductive disks, forming together with the outer shell of the transformer a sealed chamber, inside of which an inductor is located. Water, washing the transformer shell and passing through the pipes, heats up.

Наиболее близким (прототипом) является проточной нагреватель жидкости (US 3414698 (GENERAL ELECTRIC СОМ) 03.12.1968), представляющий собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Вода, проходящая по змеевику, нагревается. Недостатком известных устройств являются большая удельная металлоемкость (до 10 и более кг/кВт), значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие потери тепла.The closest (prototype) is a fluid flow heater (US 3414698 (GENERAL ELECTRIC COM) 03/03/1968), which is a multi-layer tubular coil, on which a toroidal coil of the inductor is superimposed. The water passing through the coil heats up. A disadvantage of the known devices is the large specific metal consumption (up to 10 and more kg / kW), significant scattering of magnetic fluxes and, as a consequence, large heat loss.

Целью предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости, повышение коэффициента полезного действия и уменьшение конструктивной сложности. Указанная цель достигается тем, что в предлагаемом проточном индукционном нагревателе жидкости 1) совмещены магнитопровод и нагревательный элемент, функцию которых выполняет обмотка из нескольких слоев стальной ленты, наложенная на змеевик, изготовленный из тонкостенной трубы из нержавеющей стали (змеевик служит продуктопроводом, по которому протекает нагреваемая жидкость); 2) используется область сильных магнитных полей с напряженностью 25-40 кА/м; 3) в тепловыделении участвует весь объем ферромагнетика.The aim of the invention is to reduce metal consumption, increase efficiency and reduce structural complexity. This goal is achieved by the fact that in the proposed flow-through induction fluid heater 1) a magnetic circuit and a heating element are combined, the function of which is performed by a winding of several layers of steel tape superimposed on a coil made of thin-walled stainless steel pipe (the coil serves as a product pipeline through which the heated liquid); 2) a region of strong magnetic fields with an intensity of 25-40 kA / m is used; 3) the entire volume of the ferromagnet is involved in heat release.

Проточной индукционный нагреватель жидкости представлен на фиг.1, с разрезом по сечению А-А - на фиг.2. Нагреватель состоит из обмотки индуктора 1 и сердечника, которым является трубчатый тонкостенный змеевик 3 из нержавеющей стали с наложенной на него обмоткой из стальной ленты 2. Внутри трубы змеевика помещена проволочная спираль 4 из нержавеющей стали.A flow-through induction fluid heater is shown in FIG. 1, with a sectional view taken along section AA — in FIG. 2. The heater consists of the winding of the inductor 1 and the core, which is a tubular thin-walled coil 3 made of stainless steel with a winding made of steel tape 2. A wire spiral 4 made of stainless steel is placed inside the coil pipe.

Нагреватель имеет первичную обмотку (обмотку индуктора), выполненную из медного изолированного провода; роль вторичной обмотки играет обмотка из стальной ленты. На змеевик наложена обмотка из стальной ленты такой толщины, чтобы не появилась негативно влияющая на коэффициент мощности отраженная от внутренних стенок трубы электромагнитная волна. На этот сердечник наложена тороидальная обмотка индуктора, что позволяет сконцентрировать магнитный поток внутри тороида. В результате, значительно уменьшаются потоки рассеяния и не оказывается негативное воздействие сильных полей на обслуживающий персонал. Для увеличения коэффициента теплоотдачи и теплового КПД в просвет трубы введена проволочная спираль из нержавеющей стали, приводящая к дополнительной циркуляции жидкости.The heater has a primary winding (inductor winding) made of insulated copper wire; the role of the secondary winding is played by a winding of steel tape. A coil of steel tape of such a thickness is applied to the coil so that an electromagnetic wave reflected from the inner walls of the pipe does not adversely affect the power factor. A toroidal winding of the inductor is superimposed on this core, which makes it possible to concentrate the magnetic flux inside the toroid. As a result, scattering fluxes are significantly reduced and there is no negative impact of strong fields on staff. To increase the heat transfer coefficient and thermal efficiency, a stainless steel wire spiral is introduced into the pipe lumen, which leads to additional fluid circulation.

Подобное конструктивное решение позволяет снизить металлоемкость нагревателя до 2-2,5 кг/кВт и повысить тепловой КПД до 98-99%. Кроме того, изменяя расположение витков змеевика по отношению друг к другу и их число, можно при заданной мощности, определяемой площадью внешней поверхности обмотки из стальной ленты, изготовлять нагреватели с заданной разностью температур между внутренней стенкой змеевика и нагреваемой жидкостью. На фиг.2 показан переход от конструкции с максимальной разностью температур между внутренней стенкой змеевика и нагреваемой жидкостью к конструкции с минимальной разностью температур.Such a constructive solution allows to reduce the metal consumption of the heater to 2-2.5 kg / kW and increase thermal efficiency to 98-99%. In addition, by changing the location of the coil turns in relation to each other and their number, it is possible at a given power, determined by the area of the outer surface of the winding from a steel strip, to produce heaters with a given temperature difference between the inner wall of the coil and the heated fluid. Figure 2 shows the transition from a structure with a maximum temperature difference between the inner wall of the coil and the heated fluid to a structure with a minimum temperature difference.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, гарантирующих сущность заявленного изобретения, не известна и для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволят сделать вывод о соответствии изобретения критерию «новизна» и «изобретательский уровень».According to the information available to the authors, the set of essential features that guarantee the essence of the claimed invention is not known and should not be explicitly understood by specialists in the prior art, which will make it possible to conclude that the invention meets the criteria of “novelty” and “inventive step”.

Проточной индукционный нагреватель жидкости работает следующим образом: на первичную обмотку (обмотку индуктора) подается переменное напряжение. Созданный обмоткой переменный магнитный поток замыкается в сердечнике нагревателя, состоящем из трубчатого змеевика и наложенной на него обмотки из нескольких слоев стальной ленты такой толщины, чтобы не возникала отраженная электромагнитная волна, уменьшающая коэффициент мощности нагревателя. Переменный магнитный поток порождает в обмотке из стальной ленты индукционный ток, в результате прохождения которого происходит нагревание сердечника. Дополнительный нагрев происходит в результате перемагничивания материала ленты (потери на гистерезис).A flow-through induction fluid heater works as follows: an alternating voltage is applied to the primary winding (inductor winding). The alternating magnetic flux created by the winding is closed in the heater core, which consists of a tubular coil and a winding superimposed on it from several layers of steel tape of such a thickness that a reflected electromagnetic wave does not occur, which reduces the power factor of the heater. An alternating magnetic flux induces an induction current in the winding of the steel strip, as a result of the passage of which the core is heated. Additional heating occurs as a result of magnetization reversal of the tape material (hysteresis loss).

Преимущество предлагаемого индукционного нагревателя жидкости заключается в следующем:The advantage of the proposed induction fluid heater is as follows:

- малое рассеяние магнитного потока, следовательно, более высокий коэффициент полезного действия и отсутствие негативного воздействия сильных магнитных полей на организм находящихся по близости людей;- small scattering of the magnetic flux, therefore, a higher efficiency and the absence of negative effects of strong magnetic fields on the body of people in the vicinity;

- в тепловыделении участвует весь объем ферромагнетика, что существенно уменьшает металлоемкость нагревателя;- the entire volume of the ferromagnet is involved in heat release, which significantly reduces the metal consumption of the heater;

- уменьшается удельная металлоемкость до 2-2,5 кг/кВт в результате совмещения магнитопровода и нагревательного элемента и благодаря использованию сильных магнитных полей с напряженностью 25-40 кА/м;- the specific metal consumption decreases to 2-2.5 kg / kW as a result of combining the magnetic circuit and the heating element and through the use of strong magnetic fields with a strength of 25-40 kA / m;

- высокая теплопередача от сердечника нагревателя протекающей по змеевику жидкости в результате дополнительной циркуляции жидкости, вызываемой проволочной спиралью из нержавеющей стали, помещенной в просвет трубы змеевика;- high heat transfer from the core of the heater fluid flowing through the coil as a result of additional fluid circulation caused by a stainless steel wire spiral placed in the lumen of the coil pipe;

- отсутствие коррозии и возможность нагревания и пастеризации пищевых жидкостей (воды, соков, молока и т.п.) в результате использования тонкостенного змеевика из нержавеющей стали;- the absence of corrosion and the possibility of heating and pasteurization of food liquids (water, juice, milk, etc.) as a result of using a thin-walled stainless steel coil;

- имеется возможность изготовлять нагреватель с заданной разностью температур между внутренними стенками змеевика и нагреваемой жидкостью.- it is possible to produce a heater with a given temperature difference between the inner walls of the coil and the heated fluid.

Claims

1. Flowing induction fluid heater having 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 surface of heat transfer; a winding made of a steel tape is imposed on the coil, which plays the role of a magnetic circuit and a heating element, as a result of which the entire volume of the ferromagnet is involved in the heat release; To improve the heat transfer from the heater core of the fluid flowing along the coil, a wire spiral is used, introduced into the lumen of the coil pipe, leading to additional fluid circulation.

2. Flowing induction fluid heater according to claim 1, characterized in that in order to reduce its specific metal consumption to 2-2.5 kg / kW during operation, magnetic fields with a strength of 25-40 kA / m are used.

3. Flowing induction fluid heater according to claim 1, characterized in that it allows to obtain a predetermined value of the temperature difference between the inner wall of the coil and the heated fluid.