Індукційний нагрівач рідини

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний зокрема в комунальнопобутовому господарстві. Індукційний нагрівач рідини містить трансформатор з шихтованим пластинчатим магнітопроводом, первинний замкнутий провідний контур у вигляді котушки, підключеної до мережі змінного струму, та вторинний замкнутий провідний контур, що є теплообмінником, виконаним у вигляді пустотілої камери з вхідним та вихідним патрубками для проходження рідини, що нагрівається. Згідно з винаходом, магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді певної кількості замкнутих П-подібних півкілець, площина магнітних пластин яких перпендикулярна напрямку провідників котушки. Котушка та теплообмінник встановлені так, що їх осі співпадають і вони по всій довжині провідних контурів охоплені магнітопровідними кільцями, утвореними замкнутими півкільцями, при цьому кількість кілець обмежена довжиною провідних контурів. Завдяки синфазності магнітних потоків і струмів в трансформаторі забезпечується високий коефіцієнт корисної дії, підвищується надійність та довговічність нагрівача. UA 104377 C2 (12) UA 104377 C2 UA 104377 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для нагрівання рідини, зокрема для електроопалення і гарячого водопостачання, з метою зменшення витрати споживаної електроенергії. Процес нагрівання рідини має дві істотні ознаки: природа джерела перетвореної в тепло енергії і матеріал посудини з рідиною, що нагрівається. Індукційному методу нагрівання рідини в металевій посудині, стінки якої нагріваються електричним струмом, не більше ста років (патент Німеччини №329131, кл. 21 Η з пріоритетом від 22 січня 1918 p.), У зв'язку з появою атомної електроенергетики індукційне нагрівання варто визнати як реальну альтернативу газовому нагріванню рідини в посудинах з металевими стінками, а також за допомогою нагрівачів у вигляді металевих (або графітових) пластин, які служать навантаженням трансформатора. Головне технічне завдання пропоноваого винаходу полягає в створенні фізично простого і економічно доступного способу генерування електричного струму максимального діючого значення і малої напруги (е.д.с). Такий спосіб може бути отриманий як наслідок усунення принципових недоліків існуючих електричних трансформаторів напруги. До найбільш істотних недоліків трансформаторів належить поява реактивної потужності і струму холостого ходу. Трансформатор, що має дуже малу величину реактивної потужності і холостого струму, одержав назву ідеального. Метод одержання ідеального трансформатора полягає у використанні відомого фізичного явища анізотропного намагнічування магнетиків, що властиво не тільки тонким магнітним плівкам, але і трансформаторній електротехнічній сталі у формі магнітних пластин (Бех А.Д., Войтенко Ю.Г., Жариков Г.П та ін. Швидкодіючі магнітопльоночні запам'ятовувальні пристрої скануючого автомата для виміру камерних знімків 10-4525, ОИЯИ, Дубна, -1969, -С. 1-7.). Причиною анізотропії, що проявляється в існуванні напрямків легкого і важкого намагнічування служить доменна структура намагніченого магнетика. В електротехнічній сталі намагнічування в легкому напрямку відбувається по шарах при значно меншій коерцитивній силі, чим у тонких плівках. Тому крива намагнічування в діапазоні робочого струму трансформатора лінійна. Аде режим легкого намагнічування не реалізується в трансформаторах стрижневої й тороїдальної конструкції. Тому істотною ознакою методу оптимізації трансформатора стала дискретизація магнітопроводу - виконання магнітної системи трансформатора на однотипних дискретних елементах, у яких реалізований спосіб намагнічування доменів у легкому напрямку. Перша істотна ознака - намагнічування по шарах у легкому напрямку, і друга істотна ознака - дискретна магнітна система, використовується для підвищення ККД пристрою нагрівання рідини внаслідок виключення реактивних втрат в трансформаторі і зменшення струму холостого ходу. Покажемо, що сполучення функції вторинної обмотки трансформатора, що полягає в генеруванні струму індукції, з функцією теплообмінника, є операцією, необхідною в пристроях нагрівача рідини, але явно недостатньою для одержання високого ККД перетворення електричної енергії в тепло. Скористаємося експериментальними вимірами споживання електроенергії індукційним і ТЕН-овим нагрівачами (http://big-mart.com.ua/vin.htm). Нагрівання води (m) 200 л індукційним нагрівачем потужністю (Ре) 10 квт від початкової температури +20 °C до температури +80 °C (Δt=60 °C) відбувається за час (t) 2 години 25 хв. Кількість витраченої енергії We=21,7 квт*ч. Нагрівання води 200 л ТЕН-овим казаном потужністю 9 квт від початкової температури 22 °C до температури 79,5 °C забирає час 6 годин 2 хвилини. Кількість витраченої енергії 24,8 квт*ч. Перетворення електричної енергії (W е) у теплову (W т) здійснюється теплообмінником відповідно до законів Джоуля-Ленца: W т = сmΔt• 4,19 [Дж], (1) 2 W э = l Rt [Дж], (2) 0 де с - питома теплоємність, m - маса, Δt - зміна температури, І - діюче значення змінного струму, R - активний опір теплообмінника, t - час дії струму в теплообміннику. ККД перетворення визначається по формулі: h 55 WТ  100% WЭ (3) Для індукційного перетворювача hi=65 %, для ТЕН-ового hтен = 54 %. У ТЕН-ових казанах резерв підвищення ККД реалізується способом оптимізації теплового опору між електричним нагрівачем і рідиною, що нагрівається (до 92 % у побутових кип'ятильниках), а в індукційних нагрівачах потенціалом збільшення ККД є електричний трансформатор. 1 UA 104377 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Функціональною особливістю трансформатора для індукційного нагрівання є те, що він працює в режимі максимального коефіцієнта трансформації струму: N=W 2/W 1 (4) де W 1, W 2 - відповідно, кількість витків у первинному і вторинному контурі. В ідеальному трансформаторі виконується співвідношення: І1 W 1= І2 W 2 (5) для струму І1 первинного контуру і струму І2 вторинного контуру. Вхідна напруга U1 і індукована е.д.с. е2 зв'язані співвідношенням: e2/U1=W 2/W 1 (6). Відомо, що в трансформаторі з великим коефіцієнтом трансформації по струму (W 2=1) коефіцієнт корисної дії h визначається кутом фазового зсуву між напругою U1 і струмом І2: h = Рвих / Рвх = cos φ (7). Оскільки вихідна енергія трансформатора We без втрат перетвориться нагрівачем у теплову, то має місце рівність: Рвх cosφ • t=W Э = W T (8). З рівності енергій (8) виходить, що застосування для індукційного нагрівання ідеального трансформатора (cosφ = 1) еквівалентно реалізації ідеального індукційного нагрівача рідини. Дані фізичного експерименту, що наведені нижче, дозволяють зробити висновок, що мінімальна величина фазового зсуву між вхідною напругою і вихідним струмом трансформатора відповідає синфазності магнітного потоку в магнітопроводі із вхідним струмом. 1. Шихтованому магнітопроводу властива анізотропія намагнічування, що проявляється в зміні глибини проникнення магнітного поля в магнетик залежно від напрямку провідників обмотки стосовно напрямку площини пластин. 2. Якщо напрямок поля провідників збігається із площиною пластин, то досягається максимальна глибина проникнення магнітного поля в магнетик внаслідок дії механізму легкого необоротного намагнічування способом зсуву границь доменів, які утворяться у магнетику на молекулярному рівні. 3. Якщо напрямок поля провідників перпендикулярно площини пластин, то відбувається її намагнічування у важкому напрямку (мінімальна глибина проникнення поля), при якому намагнічування пластини здійснюється пружним зворотним обертанням вектора намагнічування домена в перпендикулярному напрямку до площини пластини. Механізм важкого намагнічування формує фазове зрушення між полем намагнічування й вектором магнітної індукції, що збігається з напругою магнітного потоку в магнітопроводі. 4. Магнітний потік, створений дією ортогонального магнітного поля провідників зі струмом на магнетик, орієнтований у напрямку легкого намагнічування, характерний для інверсного електромагніта, застосовуваного в асинхронних машинах з пазовим укладанням проводів. Тут електромагніт утворений обмоткою, охопленою пазами в магнітопроводі, на відміну від нормального електромагніта у вигляді соленоїда з магнітним сердечником. Пропонований індукційний нагрівач рідини і пристрої-аналоги мають спільність функціональної схеми, але має місце істотна відмінність у реалізації функціональних елементів і зв'язків між ними. Відомі індукційні нагрівачі рідини (Авт. св. СРСР №1811038 кл. Η 05Β 6/10 і патент Росії №2002384, кл Η 05 В 6/10), утримуючі кільцевий магнітопровід трансформатора з тороїдальною первинною обмоткою, що герметично укладений у кільцеву камеру з електропровідного матеріалу, що являє собою вторинну короткозамкнену обмотку, що виконує роль елемента, що нагріває. До недоліків цих нагрівачів належить малий ККД внаслідок значних реактивних втрат (cosφ) і індуктивних втрат, викликаних неповним зв'язком між магнітопроводом і вторинною обмоткою, відділеною від магнітопроводу простором, що заповнений шаром рідини, що нагрівається. Відомий індукційний нагрівач рідини за заявкою Франції №2565059, кл. Η 05 В 6/10, що містить шихтований сердечник з первинною обмоткою, підключеною до мережі, і вторинну обмотку, виконану у вигляді короткозамкненого елемента з електропровідних трубок, у яких перебуває рідина, що нагрівається за рахунок струмів короткого замикання вторинної обмотки. До недоліків цього нагрівача належить те, що шихтований магнітопровід як джерело поля індукції відділений від нагрівача на товщину первинної обмотки і її ізоляції, що погіршує індуктивний зв'язок нагрівача з магнітопроводом. За цією ознакою зазначений нагрівач має аналогічні негативні властивості з розглянутими вище нагрівачами. Найбільш близьким по технічній суті до пропонованого нагрівача є індукційний нагрівач рідини по патенту Російської Федерації RU2074529, кл. Η 05 В 6/10, вибраний нами як прототип. Він містить трансформатор із багатостержневим феромагнітним сердечником з розташованою 2 UA 104377 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 на стрижнях багатофазною первинною обмоткою, і вторинну обмотку, що є теплообмінником, виконаним у вигляді пустотілої камери, у якій є додаткові вертикальні канали з електропровідними стінками. При цьому стверджується, що цей нагрівач рідини має високий ККД і знижену матеріалоємність. Загальними ознаками пристрою-прототипу і пропонованого нагрівача є елементи їхньої функціональної схеми: феромагнітний шихтований магнітопровід трансформатора, первинна і вторинна обмотки, причому вторинна обмотка служить теплообмінником. В протипі первинна обмотка виконує функцію індуктора замкнутого магнітного потоку в магнітопроводі. Індукований магнітним полем струму первинної обмотки магнітний потік у магнітопроводі створює е.д.с. зворотного зв'язку в первинному електричному ланцюзі трансформатора, що містить е.д.с. мережі змінного струму, а також індукує е.д.с. у вторинній обмотці, що створює струм нагрівання стінок додаткових каналів теплообмінника. Установка в теплообміннику електропровідної стінки, у якій збуджується е.д.с. магнітним потоком, дозволяє збільшити активне навантаження у вторинному ланцюзі трансформатора і одержати додаткову вихідну потужність. В ідеальному трансформаторі вихідна потужність повинна дорівнювати потужності мережі, що відбирається трансформатором від мережі змінного струму. Однак, використовуваний в прототипі трансформатор не ідеальний по наступних ознаках, що становлять недоліки прототипу. 1. У стрижневій конструкції магнітопроводу первинна обмотка охоплює з мінімальним зазором тільки частину його середньої довжини. Тому вилучена від первинної обмотки частина магнітопроводу використовується не раціонально, тому що вона служить додатковим магнітним опором для магнітного потоку, зменшуючи його величину відповідно до закону Ома для магнітного ланцюга. Тому зменшується індуктивність первинного ланцюга і росте струм холостого ходу, збільшуючи втрати потужності, які в трифазному трансформаторі можуть перевищувати 30 %. 2. Друга причина втрат потужності полягає в механізмі намагнічування магнітопроводу радіальним магнітним полем струму в провідниках обмотки. Якщо напрямок магнітного поля провідників виявляється перпендикулярним площині магнітних пластин магнітопроводу, то його намагнічування відбувається у важкому напрямку анізотропії і магнітний потік у магнітопроводі отримує перпендикулярну до стінки магнітопроводу оборотну складову, що є причиною фазового зсуву струму обмоток на кут φ і реактивних втрат в трансформаторі. Величина реактивних втрат росте при збільшенні коефіцієнта трансформації струму. 3. Оскільки магнітне поле струму провідників обмоток є радіальним, то воно ефективно діє на магнітопровід тільки в границях вікна, утвореного магнітними пластинами. Магнітний потік розсіювання обмоток за межами вікна лише частково пов'язаний з магнітопроводом і тому створює в навколишньому просторі паразитні низькочастотні випромінювання у вигляді перешкод радіозв'язку. Втрати потужності внаслідок зменшення виткової е.д.с. (виткові втрати) порівнянні з реактивними втратами і втратами холостого ходу. Всі три види втрат ростуть при збільшенні коефіцієнта трансформації і становлять третину потужності в трансформаторах максимального струму. Радикальним способом підвищення якості трансформаторів залишається заміна монолітної конструкції магнітопроводу з обмотками системою дискретних функціональних елементів. Метод дискретизації технічних систем є основним засобом усунення недоліків прототипу. В основу винаходу поставлена технічна задача створення індукційного нагрівача рідини з високим ККД. Поставлена технічна задача вирішується тим, що в індукційному нагрівачі рідини, що містить трансформатор із шихтованим пластинами магнітопроводом, первинним замкнутим провідним контуром у вигляді котушки, підключеної до мережі змінного струму, вторинним замкнутим провідним контуром, що є теплообмінником, виконаним у вигляді пустотілої камери із вхідними і вихідними патрубками для проходження рідини, що нагрівається, згідно з винаходом, магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді замкнутих П-подібних півкілець, площина магнітних пластин яких перпендикулярна напрямку провідників котушки, котушка і теплообмінник встановлені так, що їх осі співпадають і вони по всій довжині провідних контурів охоплені замкнутими кільцями, кількість кілець, утворених півкільцями, обмежена довжиною провідних контурів. Ознаками, якими пропонований індукційний нагрівач рідини відрізняється від прототипу, є використання магнітопроводу трансформатора, виконаного у вигляді замкнутих П-подібних півкілець, площина магнітних пластин яких перпендикулярна напрямку провідників котушки первинного провідного контуру трансформатора, котушка і теплообмінник установлені так, що їх 3 UA 104377 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 осі співпадають і вони по всій довжині провідних контурів охоплені замкнутими півкільцями, при цьому кількість кілець, утворених півкільцями, обмежено довжиною провідного контуру. Використання цих ознак в індукційному нагрівачі рідини, що пропонується, дозволяє одержати мінімальну величину струму холостого ходу за рахунок великої індуктивності котушки, оскільки вона охоплена безліччю магнітних кілець із малою довжиною магнітопроводу. У пропонованому пристрої усувається фазовий зсув між вихідною напругою і струмом внаслідок того, що площина магнітних пластин перпендикулярна напрямку провідників котушки, а магнітне поле струму співпадає з напрямком легкого намагнічування пластин. Завдяки цьому виключається намагнічування пластин у важкому напрямку і, отже, усувається фазовий зсув струму котушки. Замкнуті магнітні кільця встановлені по всій довжині провідних контурів у безпосередній близькості до них, завдяки чому отриманий максимальний індуктивний витковий зв'язок провідних контурів з магнітопроводом у формі безлічі кілець і забезпечується максимальна виткова е.д.с, що виключає виткові втрати потужності. У запропонованому пристрої площі поперечного перерізу котушки і теплообмінника можуть бути вибрані однаковими, а довжини рівні, завдяки чому технологічний обсяг теплообмінника збільшується. На кресленні представлений пропонований індукційний нагрівач рідини. Конструктивну основу пропонованого пристрою становить не стрижневий магнітопровід із багатовитковою первинною і одновитковою вторинною обмотками, витки яких охоплюють стрижні магнітопроводу, як у прототипі, а первинний 1 і вторинний 2 замкнуті провідні контури, встановлені на підставі 3. Індуктивний зв'язок між контурами здійснюється замкнутими півкільцями 4 і 5, що складаються з магнітних пластин 6, 7, безліч магнітопровідних кілець 8, утворених замкнутими півкільцями, охоплює вхідний контур 1 і нагрівач 2 по всій довжині контурів. Вихідний контур замкнутий накоротко фланцем 9. Рідина в нагрівач подається патрубками 10 і 11. Пропонований індукційний нагрівач рідини функціонує в такий спосіб. Якщо кільця 8 не встановлені, то контур 1, 2 утворить повітряний трансформатор. Однак виткова е.д.с. індукції в цьому випадку в контурі 2 мала. Для збільшення виткової е.д.с. по всій довжині контурів розташовують магнітні кільця 8, утворені замкнутими півкільцям 4, 5 з магнітних пластин 6, 7, орієнтованих перпендикулярно до середньої лінії контурів. Струм у багатовитковому контурі 1 збуджує синфазні зі струмом магнітні потоки в пластинах 6, які індукують е.д.с. у контурі 2, достатньої величини для створення струму нагрівання теплообмінника. Технічний ефект пропонованого індукційного нагрівача рідини в порівнянні із прототипом полягає в наступному. - завдяки синфазності магнітних потоків і струмів у трансформаторі забезпечується ККД, близький до 100 %; - поперечний переріз магнітних кілець вибирають достатнім для одержання струму холостого ходу дуже малої величини; - збільшується технологічний обсяг рідини, що нагрівається, за рахунок сполучення обсягів нагрівача з вихідним контуром трансформатора; - отримані високі споживчі характеристики: надійність, довговічність і електробезпечність. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 55 Індукційний нагрівач рідини, що містить трансформатор з шихтованим пластинчатим магнітопроводом, первинний замкнутий провідний контур у вигляді котушки, підключеної до мережі змінного струму, та вторинний замкнутий провідний контур, що є теплообмінником, виконаним у вигляді пустотілої камери з вхідним та вихідним патрубками для проходження рідини, що нагрівається, який відрізняється тим, що магнітопровід трансформатора виконаний у вигляді певної кількості замкнутих П-подібних півкілець, площина магнітних пластин яких перпендикулярна напрямку провідників котушки, котушка та теплообмінник встановлені так, що їх осі співпадають і вони по всій довжині провідних контурів охоплені магнітопровідними кільцями, утвореними замкнутими півкільцями, при цьому кількість кілець обмежена довжиною провідних контурів. 4 UA 104377 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5