RU2821538C1

RU2821538C1 - Flow induction heater of liquid

Info

Publication number: RU2821538C1
Application number: RU2023124199A
Authority: RU
Inventors: Сергей Павлович Ереско; Владимир Сергеевич Ереско; Александр Сергеевич Палкин; Валерий Владимирович Пестов; Алексей Андреевич Симаков; Илья Дмитриевич Станкевич; Андрей Валериевич Угрюмов
Original assignee: Акционерное общество "Центральное конструкторское бюро "Геофизика"
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2024-06-25

Abstract

FIELD: electric power industry.

SUBSTANCE: invention can be used in devices for electric heating of liquid for industrial processes and in everyday life. Fluid flow induction heater comprises inductor winding, copper tube electrically insulated with compound, having unions for inlet and outlet of cooling fluid and terminals for its connection to generator, as well as heat-insulating protective screen located coaxially inside cylindrical inductor, in which there is also a core-magnetic conductor-product conduit coaxially along a sliding fit, comprising a cylindrical magnetic conductor housing with an internal thread, by means of which inside the cylindrical housing of the core-magnetic conductor there is a core-fairing arranged coaxially in the form of a hollow cylinder plugged at both ends with hemispherical plugs. Thickness of heat-conducting plates located in annular section of core-magnetic conductor-product line is selected taking into account provision of equality of nominal passage of product line to conditional passage of inlet and outlet nozzles.

EFFECT: simplified design of core-magnetic conductor, increased efficiency, manufacturability and operation.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в устройствах электрического нагрева жидкости для производственных технологических процессов и в быту.The invention relates to the electric power industry and can be used in devices for electric heating of liquids for industrial processes and in everyday life.

Известен индукционный нагреватель жидкости [1. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитной стали. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - с. 200], имеющий соленоидальный индуктор, в котором в качестве промежуточного нагревателя, от которого нагревается обрабатываемая жидкость, выполнен в виде отдельных незамкнутых стальных полос или стержней. Принцип работы нагревателя заключается в том, что при протекании переменного электрического тока и за счет созданного им переменного магнитного поля происходит нагрев материала трубы вследствие потерь на гистерезис материала промежуточного нагревателя и на вихревые токи в нем. Недостатком являются большие значения реактивной мощности.A known induction liquid heater [1. Kuvaldin A.B. Induction heating of ferromagnetic steel. - M.: Energoatomizdat, 1988. - p. 200], having a solenoidal inductor, in which, as an intermediate heater from which the liquid being processed is heated, it is made in the form of separate open steel strips or rods. The operating principle of the heater is that when an alternating electric current flows and due to the alternating magnetic field created by it, the pipe material is heated due to losses due to hysteresis of the intermediate heater material and eddy currents in it. The disadvantage is the large reactive power values.

Известен индукционный нагреватель жидкости [2. Патент US №3414698 от 03.12.1968 г., GENERAL ELECTRIC СОМ], представляющий собой многослойный трубчатый змеевик, на который наложена тороидальная обмотка индуктора. Жидкость, проходящая по змеевику, нагревается. Недостатком устройства является значительное рассеяние магнитных потоков и, как следствие, большие значения реактивной мощности и потерь тепла.A known induction liquid heater [2. US Patent No. 3414698 dated December 3, 1968, GENERAL ELECTRIC COM], which is a multilayer tubular coil on which a toroidal inductor winding is superimposed. The liquid passing through the coil heats up. The disadvantage of the device is the significant dissipation of magnetic fluxes and, as a consequence, large values of reactive power and heat losses.

Известен проточный индукционный нагреватель жидкости, включающий индуктор с обмоткой, и установленный внутри ее изолированный от обмотки диэлектрическим материалом сердечник, выполненный в виде змеевика из тонкостенной нержавеющей стали [3. Патент РФ №2267869 от 10.01.2006]. Недостатками устройства являются нерациональные потери энергии в стальной ленте сердечника, наличие разомкнутой магнитной цепи, образованной сердечником, и неравномерность нагрева теплообменной поверхности змеевика из нержавеющей стали вследствие неоднородности напряженности магнитного тюля по длине окружности трубы змеевика и, как следствие, его температуры, что увеличивает потери тепла и снижает КПД, а также значительная технологическая и конструкционная сложность.A flow-through induction liquid heater is known, including an inductor with a winding, and a core installed inside it, insulated from the winding by a dielectric material, made in the form of a coil made of thin-walled stainless steel [3. RF Patent No. 2267869 dated January 10, 2006]. The disadvantages of the device are irrational energy losses in the steel strip of the core, the presence of an open magnetic circuit formed by the core, and uneven heating of the heat exchange surface of the stainless steel coil due to the non-uniformity of the tension of the magnetic tulle along the circumference of the coil pipe and, as a consequence, its temperature, which increases heat loss and reduces efficiency, as well as significant technological and design complexity.

В качестве прототипа принят проточный индукционный нагреватель жидкости [4. Патент РФ №2772376 от 21.04.2021 г.], включающий в себя индуктор с обмоткой и установленный внутри нее сердечник в виде трубчатого змеевика из тонкостенной ферромагнитной нержавеющей стали, отличающийся тем, что обмотка выполнена из медной трубки, а сердечник - гофрированным, с толщиной стальной стенки трубки змеевика, равной глубине проникновения в нее электромагнитной волны, и соосно установлен внутри медной трубки, при этом между медной трубкой и стальным сердечником размещен слой диэлектрика.A flow-through induction liquid heater was adopted as a prototype [4. RF Patent No. 2772376 dated April 21, 2021], which includes an inductor with a winding and a core installed inside it in the form of a tubular coil made of thin-walled ferromagnetic stainless steel, characterized in that the winding is made of a copper tube, and the core is corrugated, with a thickness steel wall of the coil tube, equal to the depth of penetration of the electromagnetic wave into it, and is coaxially installed inside the copper tube, while a dielectric layer is placed between the copper tube and the steel core.

Недостатком прототипа является наличие разомкнутой магнитной цепи, образованной сердечником в виде змеевика и неравномерность нагрева теплообменной поверхности змеевика из нержавеющей стали вследствие неоднородности напряженности магнитного поля по длине окружности трубы змеевика и, как следствие, его температуры, что увеличивает потери тепла и снижает КПД, а также значительная технологическая и конструкционная сложность конструкционная сложность выполнения сердечника-магнитопровода в виде многослойного змеевика, требующего установки соосно внутри полости первичной обмотки, да еще по винтовой линии с электроизоляцией, что не снижает технологической и конструкционной сложности всего устройства. Кроме этого, разборка данной конструкции для промывки и замены продуктопровода осуществить без разрушения первичной обмотки, не представляется возможным.The disadvantage of the prototype is the presence of an open magnetic circuit formed by a core in the form of a coil and the uneven heating of the heat exchange surface of the stainless steel coil due to the non-uniformity of the magnetic field strength along the circumference of the coil pipe and, as a consequence, its temperature, which increases heat loss and reduces efficiency, as well as significant technological and structural complexity; the structural complexity of making the magnetic core in the form of a multilayer coil, which requires installation coaxially inside the cavity of the primary winding, and even along a helical line with electrical insulation, which does not reduce the technological and structural complexity of the entire device. In addition, it is not possible to disassemble this structure for washing and replacing the product pipeline without destroying the primary winding.

Задачами изобретения являются значительное упрощение конструкции сердечника-магнитопровода, повышение технологичности его изготовления и эксплуатации. Технический результат достигается путем обеспечения легкой замены либо первичной обмотки, либо сердечника-магнитопровода, при одновременном повышении коэффициента полезного действия за счет повышения равномерности нагрева непосредственно жидкости за счет увеличения теплообменной поверхности сердечника-магнитопровода, путем подбора необходимого количества теплопередающих пластин для подбора необходимой разности температур жидкости на входе и выходе и согласования нагрузки индукционной обмотки, а также использования технологической резьбы для установки различных конструкций сердечников-магнитопроводов для турбулизации потока протекаемой сквозь сердечник-магнитопровод нагреваемой посредством теплопередачи от теплопередающих пластин и корпуса сердечника-магнитопровода, являющегося одновременно и продуктопроводом.The objectives of the invention are to significantly simplify the design of the magnetic core and increase the manufacturability of its manufacture and operation. The technical result is achieved by ensuring easy replacement of either the primary winding or the magnetic core, while simultaneously increasing the efficiency by increasing the uniformity of heating of the liquid itself by increasing the heat transfer surface of the magnetic core, by selecting the required number of heat transfer plates to select the required temperature difference of the liquid at the input and output and matching the load of the induction winding, as well as the use of technological threads for installing various designs of magnetic cores for turbulization of the flow flowing through the magnetic core, heated by heat transfer from the heat transfer plates and the body of the magnetic core, which is also a product pipeline.

Техническая сущность предложенного решения заключается в том, что в предлагаемом проточном индукционном нагревателе жидкости совмещены магнитопровод и продуктопровод, по которому протекает нагреваемая жидкость, а также нагревательный и турбулизирующий жидкость элемент, функцию которых выполняет цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса коаксиально установлен сердечник, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с дух концов полусферическими заглушками по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу, выполненную с параметрами, совмещаемыми с внутренней резьбой цилиндрического корпуса магнитопровода, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы с присоединенными к ним входным и выходным патрубками.The technical essence of the proposed solution lies in the fact that the proposed flow-through induction liquid heater combines a magnetic circuit and a product pipeline through which the heated liquid flows, as well as a heating and turbulizing element, the function of which is performed by the cylindrical body of the magnetic circuit with an internal thread, through which coaxial a core is installed, made in the form of a hollow cylinder, plugged at the ends with hemispherical plugs along the outer generatrices of which longitudinal heat transfer plates are attached, having on the free side surfaces an external thread made with parameters compatible with the internal thread of the cylindrical body of the magnetic circuit, which has threaded threads at its ends hemispherical flanges with inlet and outlet pipes attached to them.

Частота напряжения на индукторе обеспечивает глубину проникновения электромагнитной волны на глубину равную толщине стенки цилиндрического корпуса магнитопровода, а число и толщина теплопроводящих пластин, расположенных в кольцевом сечении сердечника магнитопровода-продуктопровода подбирается с учетом технологии их крепления и обеспечения равенства условного прохода продуктопровода условному проходу впускного и выпускного патрубков.The frequency of the voltage on the inductor ensures the penetration depth of the electromagnetic wave to a depth equal to the thickness of the wall of the cylindrical body of the magnetic core, and the number and thickness of heat-conducting plates located in the annular section of the core of the magnetic core-product pipeline is selected taking into account the technology of their fastening and ensuring equality of the nominal bore of the product pipeline to the conventional bore of the inlet and outlet pipes.

Настоящая задача решается тем, что в проточном индукционном нагревателе жидкости, включающий индуктор с обмоткой из изолированной медной трубки и сердечник-магнитопровод-продуктопровод, отличающемся тем, что индуктор с изолированной обмоткой из медной трубки, образующей полый толстостенный цилиндр, имеет теплоэлектроизоляционный защитный экран, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой, посредством которой внутри цилиндрического корпуса коаксиально установлен сердечник, выполненный в виде полого цилиндра, заглушенного с дух концов полусферическими заглушками по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу, выполненную с параметрами совмещаемыми с внутренней резьбой цилиндрического корпуса магнитопровода, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы с присоединенными к ним входным и выходным патрубками, причем толщина цилиндрического корпуса магнитопровода равна глубине проникновения в нее электромагнитной волны, площадь поперечного сечения кольцевого пространства, занимаемого теплопередающими пластинами, для протекания нагреваемой жидкости равна условному проходу патрубков, а боковые поверхности теплопередающих пластин могут быть выполнены рифлеными.This problem is solved by the fact that in a flow-through induction heater of a liquid, including an inductor with a winding made of an insulated copper tube and a core-magnetic conductor-product pipeline, characterized in that the inductor with an insulated winding made of a copper tube forming a hollow thick-walled cylinder has a thermal and electrical insulating protective screen located coaxially inside a cylindrical inductor, in which a core-magnetic core-product pipeline is also located coaxially along a sliding fit, containing a cylindrical body of the magnetic core with an internal thread, through which a core made in the form of a hollow cylinder is installed coaxially inside the cylindrical body, plugged at the ends with hemispherical plugs on the outer the generatrix of which is attached to longitudinal heat transfer plates having on the free side surfaces an external thread made with parameters compatible with the internal thread of the cylindrical body of the magnetic core, which at its ends has threaded hemispherical flanges with inlet and outlet pipes attached to them, and the thickness of the cylindrical body of the magnetic core is equal to the depth penetration of an electromagnetic wave into it, the cross-sectional area of the annular space occupied by the heat transfer plates for the flow of heated liquid is equal to the nominal diameter of the pipes, and the side surfaces of the heat transfer plates can be made corrugated.

Общий вид предлагаемого устройства приведен на Фиг. 1. На Фиг. 2 показан продольный разрез по А-А, а на Фиг. 3 - поперечный разрез по Б-Б, где:A general view of the proposed device is shown in Fig. 1. In Fig. 2 shows a longitudinal section along A-A, and Fig. 3 - cross section along B-B, where:

1 - индуктор;1 - inductor;

2 - сердечник-магнитопровод;2 - magnetic core;

3 - компаунд;3 - compound;

4 - медная трубка;4 - copper tube;

5 - штуцер;5 - fitting;

6 - клеммы;6 - terminals;

7 - защитный экран;7 - protective screen;

8 - цилиндрический корпус магнитопровода;8 - cylindrical body of the magnetic circuit;

9 - сердечник-обтекатель;9 - fairing core;

10 - полый цилиндр;10 - hollow cylinder;

11, 12 - полусферические заглушки;11, 12 - hemispherical plugs;

13 - теплопередающие пластины;13 - heat transfer plates;

14 - внешняя резьба;14 - external thread;

15, 16 - полусферические фланцы;15, 16 - hemispherical flanges;

17 - входной патрубок;17 - inlet pipe;

18 - выходной патрубок;18 - outlet pipe;

19 - кольцевое секторное пространство.19 - ring sector space.

Проточный индукционный нагреватель жидкости состоит из обмотки индуктора 1, представляющего собой навитую по цилиндрической поверхности с параметрами внешнего диаметра корпуса сердечника-магнитопровода 2 с учетом допуска на посадку, электроизолированную компаундом 3 медную трубку 4, имеющую штуцеры 5 для подвода и отвода охлаждающей индуктор жидкости и клеммы 6 для его подключения к генератору, а также тепло электроизоляционный защитный экран 7, расположенный коаксиально внутри цилиндрического индуктора, в котором также коаксиально по скользящей посадке расположен сердечник-магнитопровод-продуктопровод, содержащий цилиндрический корпус магнитопровода с внутренней резьбой 8, посредством которой внутри цилиндрического корпуса сердечника-магнитопровода 2 коаксиально установлен сердечник-обтекатель 9, выполненный в виде полого цилиндра 10, заглушенного с двух концов полусферическими заглушками 11, 12, по внешним образующим которого прикреплены продольные теплопередающие пластины 13, имеющие на свободных боковых поверхностях внешнюю резьбу 14, выполненную с параметрами совмещаемыми с внутренней резьбой 8 цилиндрического корпуса магнитопровода 2, который на своих торцах имеет резьбовые полусферические фланцы 15, 16 с присоединенными к ним входным 17 и выходным 18 патрубками, причем толщина цилиндрического корпуса магнитопровода 2 равна глубине проникновения в нее электромагнитной волны, а свободная площадь поперечного сечения кольцевого секторного пространства 19, образуемого теплопередающими пластинами, для протекания нагреваемой жидкости, равна условному проходу патрубков 17 и 18, а боковые поверхности теплопередающих пластин 13 могут быть выполнены рифлеными для увеличения турбулизации потока жидкости.A flow-through induction liquid heater consists of an inductor winding 1, which is a copper tube 4 wound around a cylindrical surface with the parameters of the outer diameter of the core-magnetic core body 2, taking into account the fit tolerance, electrically insulated with a compound 3, a copper tube 4 having fittings 5 for supplying and discharging the inductor-cooling fluid and terminals 6 for its connection to the generator, as well as a thermally electrically insulating protective screen 7, located coaxially inside the cylindrical inductor, in which a core-magnetic core-product pipeline is also located coaxially along a sliding fit, containing a cylindrical body of the magnetic core with an internal thread 8, through which inside the cylindrical body of the core -magnetic core 2, a core-fairing 9 is coaxially installed, made in the form of a hollow cylinder 10, plugged at both ends with hemispherical plugs 11, 12, along the outer generatrices of which longitudinal heat transfer plates 13 are attached, having on the free side surfaces an external thread 14, made with compatible parameters with an internal thread 8 of the cylindrical body of the magnetic core 2, which at its ends has threaded hemispherical flanges 15, 16 with inlet 17 and outlet 18 pipes connected to them, and the thickness of the cylindrical body of the magnetic core 2 is equal to the depth of penetration of the electromagnetic wave into it, and the free cross-sectional area the annular sector space 19 formed by the heat transfer plates for the flow of heated liquid is equal to the nominal diameter of the pipes 17 and 18, and the side surfaces of the heat transfer plates 13 can be made corrugated to increase the turbulence of the liquid flow.

Подобное конструктивное решение позволяет повысить однородность электромагнитного поля в сердечнике и равномерность нагрева его поверхности, т.е. повысить теплообменные характеристики нагревателя и эффективность нагрева. Кроме того, существенно упрощена технологичность конструкции проточного водонагревателя индукционного типа, обеспечена возможность замены индуктора, без разборки продуктопровода, а разборность конструкции продуктопровода обеспечивает возможность его очистки от засорения содержащихся в нагреваемой воде загрязнений, замены вышедших из строя из-за коррозии и кавитационного износа элементов и замены сердечников с оперением из теплопроводящих пластин для настройки требуемой разницы температур и производительности проточного нагревателя без регулирования подводимой электрической мощности.Such a design solution makes it possible to increase the uniformity of the electromagnetic field in the core and the uniformity of heating of its surface, i.e. improve the heat transfer characteristics of the heater and heating efficiency. In addition, the manufacturability of the design of an induction-type instantaneous water heater has been significantly simplified, it is possible to replace the inductor without disassembling the product pipeline, and the disassembly of the product pipeline design makes it possible to clean it from clogging contaminants contained in the heated water, replace elements that have failed due to corrosion and cavitation wear, and replacing cores with feathering made of heat-conducting plates to adjust the required temperature difference and flow-through heater performance without adjusting the supplied electrical power.

Рассмотрим работу предлагаемого проточного индукционного нагревателя жидкости. На первичную обмотку 1 (обмотку индуктора) подается переменное напряжение. Созданный обмоткой индуктора магнитный поток замыкается в замкнутой магнитной цепи сердечника-магнитопровода 2 нагревателя. Переменный ток создает магнитный поток, который порождает в сердечнике-обтекателе 9 кольцевой индукционный ток, в результате протекания которого происходит нагревание сердечника-обтекателя 9 и теплопроводящих пластин 13 в местах их крепления к сердечнику-обтекателю 9. А также магнитный поток, воздействуя глубиной проникновения электромагнитной волны на толщину стенки цилиндрического корпуса сердечника-магнитопровода 2, вызывает в нем кольцевые токи через замыкание по резьбе с теплопередающими пластинами 13, нагревая их сверху, а также вихревые токи. Дополнительный нагрев происходит за счет потерь на гистерезис. При этом технологическая резьба, крепления сердечника-обтекателя с пластинами, обеспечивает турбулизацию потока жидкости, протекающего поперек направления резьбы, создающей условия кавитации. А выполнение боковых поверхностей пластин рифлеными еще больше увеличивает турбулизацию потока.Let us consider the operation of the proposed flow-through induction liquid heater. An alternating voltage is supplied to the primary winding 1 (inductor winding). The magnetic flux created by the inductor winding is closed in the closed magnetic circuit of the magnetic core 2 of the heater. Alternating current creates a magnetic flux, which generates a ring induction current in the radome core 9, as a result of which the radome core 9 and heat-conducting plates 13 are heated at the points of their attachment to the radome core 9. As well as the magnetic flux, affecting the depth of penetration of the electromagnetic waves on the wall thickness of the cylindrical body of the magnetic core 2, causes ring currents in it through a short circuit along the thread with the heat transfer plates 13, heating them from above, as well as eddy currents. Additional heating occurs due to hysteresis losses. At the same time, the technological thread fastening the fairing core with the plates ensures turbulization of the fluid flow flowing across the direction of the thread, creating conditions of cavitation. And making the side surfaces of the plates corrugated further increases the turbulence of the flow.

Таким образом, преимущества предлагаемого индукционного нагревателя жидкости заключаются в следующем:Thus, the advantages of the proposed induction liquid heater are as follows:

- упрощение конструкции, заключающееся в разделении функций индуктора и нагревателя-продуктопровода;- simplification of the design, which consists in separating the functions of the inductor and the heater-product pipeline;

- упрощение сборки-разборки для замены частей, чистки и подбора сердечников с теплопередающим оперением для регулирования разницы температур входа и выхода без изменения подводимой электрической мощности нагревательного элемента;- simplification of assembly and disassembly for replacing parts, cleaning and selection of cores with heat transfer fins to regulate the difference in inlet and outlet temperatures without changing the supplied electrical power of the heating element;

- в тепловыделении участвует весь объем сердечника-магнитопровода-продуктопровода, представляющего собой замкнутую магнитную цепь;- the entire volume of the core-magnetic core-product pipeline, which is a closed magnetic circuit, participates in heat generation;

- увеличивается равномерность нагрева сердечника-магнитопровода-продуктопровода по всей площади поверхности, что улучшает теплообменные характеристики индукционного нагревателя за счет большей равномерности и однородности магнитного поля;- the uniformity of heating of the core-magnetic core-product pipeline increases over the entire surface area, which improves the heat transfer characteristics of the induction heater due to greater uniformity and homogeneity of the magnetic field;

- высокая теплопередача от сердечника нагревателя протекающей по сердечнику-магнитопроводу-продуктопроводу жидкости;- high heat transfer from the heater core to the liquid flowing through the core-magnetic core-product pipeline;

- уменьшение потерь и увеличение КПД;- reduction of losses and increase in efficiency;

- снижается конструкционная и технологическая сложность изготовления;- the structural and technological complexity of manufacturing is reduced;

- повышается эффективность эксплуатации, технического обслуживания и текущих ремонтов, а также чистки и промывки оборудования.- the efficiency of operation, maintenance and routine repairs, as well as cleaning and flushing of equipment, increases.

Claims

A flow-through induction liquid heater containing an inductor with a winding made of an insulated copper tube and a core-magnetic core-product pipeline, characterized in that the inductor with an insulated winding made of a copper tube forming a hollow thick-walled cylinder has a thermal and electrically insulating protective screen located coaxially inside the cylindrical inductor, in which Also located coaxially along a sliding fit is a core-magnetic core-product pipeline containing a cylindrical body of the magnetic core with an internal thread, through which a core made in the form of a hollow cylinder is installed coaxially inside the cylindrical body, plugged at both ends with hemispherical plugs, along the outer generatrices of which longitudinal heat transfer plates are attached having on the free side surfaces an external thread made with parameters compatible with the internal thread of the cylindrical body of the magnetic circuit, which at its ends has threaded hemispherical flanges with inlet and outlet pipes connected to them, and the thickness of the cylindrical body of the magnetic circuit is equal to the depth of penetration of the electromagnetic wave into it , and the number and thickness of heat-conducting plates located in the annular section of the core-magnetic core-product pipeline is selected taking into account ensuring that the nominal diameter of the product pipeline is equal to the nominal diameter of the inlet and outlet pipes.