Индукционный нагреватель жидкой среды

Авторы патента:

F24H1/12 - в которых вода отделена от нагревающей среды

Заявленное техническое решение относится к водонагревателям, в которых жидкая среда отделена от нагревателя, и может быть использовано в системах отопления, горячего водоснабжения и теплоснабжения и для нагрева жидких сред в технологических процессах.

Индукционный нагреватель жидкой среды, содержащий цилиндрический корпус с дном и входным патрубком, закрывающую открытый торец цилиндрического корпуса крышку с выходным патрубком, индукционную катушку, установленную в цилиндрическом защитном кожухе, который размещен внутри цилиндрического корпуса, с образованием между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешней цилиндрической поверхностью защитного кожуха кольцевого зазора и с образованием между внутренней поверхностью дна корпуса и внешней кольцевой поверхностью защитного кожуха щелевого зазора, а центральная часть защитного кожуха является цилиндрическим сердечником с цилиндрическим каналом, который одним своим концом соединен с выходным патрубком, а вторым своим концом, который является входом в цилиндрический канал, сообщен со щелевым зазором, при этом указанные корпус, защитный кожух, цилиндрический канал и выходной патрубок соосны, а защитный кожух закрыт защитной крышкой, через которую проходит выходной патрубок, при этом площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 5-9.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство индукционного нагрева воды, содержащее трубу, размещенную внутри индуктора и установленный внутри трубы с кольцевым зазором сердечник со сквозными осевыми каналами, сообщенными с одного конца с кольцевым зазором, а с другого конца соединенными с подающим трубопроводом, при этом место сообщения размещено в кожухе, а кольцевой зазор сообщен с подающим трубопроводом (авторское свидетельство СССР 1019676, кл. МПК Н05В 6/10, опубл. 23.05.1983 г. Бюл. 19)

В указанном устройстве вода из кожуха поступает в сквозные осевые каналы, при этом в начале движения по указанным каналам потоки воды находятся турбулентном режиме, затем интенсивность завихрений потоков воды постепенно снижается и потоки переходят в ламинарный режим. При этом основной нагрев воды будет происходить за счет теплообмена с сердечником, что приводит к тепловым потерям за счет того, что центральные части потоков будут плохо нагреваться при нагретом сердечнике.

Недостатком данного устройства является то, что в нем происходят существенные тепловые потери во время работы.

Известен, выбранный в качестве ближайшего аналога индукционный нагреватель жидких сред, состоящий из корпуса с входным и выходным патрубками, верхней и нижней крышек, индукционной катушки стакана с двойными стенками и кольцевым дном, который установлен в корпусе, при этом индукционная катушка размещена в герметичном пространстве между стенками стакана (патент РФ на полезную модель 93507, кл. МПК F24H 1/24, опубл. 27.04.2010 г. Бюл. 12)

В этом индукционном нагревателе поток жидкой среды, перемещающийся в центральном канале стакана довольно быстро начинает течь в ламинарном режиме, при этом центральная часть потока практически не нагревается, кроме того в верхней части указанного центрального канала образуется застойная зона, в которой жидкая среда находится в малоподвижном состоянии, что также не способствует интенсивному нагреву жидкой среды. Выполнение выходного патрубка на корпусе удаляет наиболее нагретые части потока жидкой среды от указанного патрубка, в связи с чем в выходной патрубок может поступать жидкая среда, не нагретая до необходимой температуры. Для нагрева жидкой среды до требуемой температуры приходится снижать скорость подачи упомянутой жидкой среды из индукционного нагревателя и увеличивать расход электроэнергии.

Таким образом, недостатком известного индукционного нагревателя является то, что в нем осуществляется нагрев жидкой среды при нерациональном расходе электроэнергии.

Краткое описание полезной модели

Техническим результатом, который может быть получен в заявленной полезной модели, является создание индукционного нагревателя жидкой среды, в котором будет осуществляться эффективный нагрев жидкой среды при рациональном расходе электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что индукционный нагреватель жидкой среды, содержит цилиндрический корпус с дном и входным патрубком, закрывающую открытый торец цилиндрического корпуса крышку с выходным патрубком, индукционную катушку, установленную в цилиндрическом защитном кожухе, который размещен внутри цилиндрического корпуса, с образованием между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешней цилиндрической поверхностью защитного кожуха кольцевого зазора и с образованием между внутренней поверхностью дна корпуса и внешней кольцевой поверхностью защитного кожуха щелевого зазора, а центральная часть защитного кожуха является цилиндрическим сердечником с цилиндрическим каналом, который одним своим концом соединен с выходным патрубком, а вторым своим концом, который является входом в цилиндрический канал, сообщен со щелевым зазором, при этом указанные корпус, защитный кожух, цилиндрический канал и выходной патрубок соосны, а защитный кожух закрыт защитной крышкой, через которую проходит выходной патрубок, при этом площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 5-9.

Для поддержания турбулентного режима потока жидкой среды на всем протяжении цилиндрического канала сердечника диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 10-33.

Для поддержания турбулентного режима потока жидкой среды на всем протяжении цилиндрического канала сердечника наиболее предпочтительно, чтобы диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 17-28.

Для увеличения турбулентности потока жидкой среды на входе цилиндрического канала сердечника установлена втулка, диаметр внутреннего отверстия которой относится к высоте сердечника как 1 к 11,5-32,5.

Для увеличения теплоотдачи индукционной катушки во время работы индукционного нагревателя внутренняя полость защитного кожуха заполнена диэлектрическим материалом с высоким коэффициентом теплопроводности.

Для увеличения турбулентности потока жидкой среды при ее входе в цилиндрический канал сердечника на дне корпуса, напротив цилиндрического канала сердечника выполнен выступ, который может быть выполнен в виде цилиндра или многогранной призмы, при этом площадь поверхности выступа, обращенной к цилиндрическому каналу, относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 0,4-0,8 к 1.

Для снижения вибраций индукционной катушки во время работы индукционного нагревателя защитная крышка поджата к защитному кожуху гайкой навинченной на выходной патрубок.

Краткое описание чертежа

На фигуре представлен заявленный индукционный нагреватель жидкой среды в разрезе.

Осуществление полезной модели

Индукционный нагреватель жидкой среды, содержит цилиндрический корпус 1 с дном 2 и входным патрубком 3.

Открытый торец 4 цилиндрического корпуса 1 закрыт крышкой 5 с выходным патрубком 6. Выходной патрубок 6 проходит сквозь крышку 5, а его ось перпендикулярна поверхности плоской круглой крышки 5.

Внутри цилиндрического корпуса 1 размещен цилиндрический защитный кожух 7, с образованием между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 1 и 3 внешней цилиндрической поверхностью защитного кожуха 7 кольцевого зазора 8 и с образованием между внутренней поверхностью дна корпуса и внешней кольцевой поверхностью защитного кожуха 7 щелевого зазора 9. В цилиндрическом защитном кожухе 7 установлена индукционная катушка 10. Л центральная часть защитного кожуха 7 является цилиндрическим сердечником 11 с цилиндрическим каналом 12. Цилиндрическая стенка корпуса 1, внешняя цилиндрическая стенка цилиндрического защитного кожуха 7 и цилиндрический сердечник 11 выполнены в виде соосно расположенных труб. Следовательно, и цилиндрический канал 12 расположен соосно цилиндрическому корпусу 1 и цилиндрическому защитному кожуху 7.

Цилиндрический канал 12 одним своим концом 13 соединен с выходным патрубком 6, а вторым своим концом 14, который является входом для жидкой среды в цилиндрический канал 12, сообщен со щелевым зазором 9.

Защитный кожух 7 закрыт защитной крышкой 19, через которую проходит выходной патрубок 6, причем ось выходного патрубка 6 перпендикулярна поверхности плоской круглой защитной крышки 19.

Площадь проходного сечения кольцевого зазора 8 относится к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 как 1 к 5-9. Экспериментальным путем было определено, что при таком соотношении площадей проходных сечений кольцевого зазора 8 и цилиндрического канала 12 поток жидкой среды в цилиндрическом канале 12 постоянно находится в турбулентном режиме, перемешиваясь так, что нагрев всего потока осуществляется равномерно, и нагревается до требуемой температуры, полностью используя температуру нагрева сердечника 11. Если площадь проходного сечения кольцевого зазора 8 относится к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 как 1 к более чем 9, то интенсивность турбулентности потока жидкой среды после вхождения его в цилиндрический канал 12 снижается и поток жидкой среды переходит в ламинарный режим. При этом центральная часть потока практически не нагревается и температура жидкой среды на выходе из цилиндрического канала 12 была ниже требуемой температуры. Если площадь проходного сечения кольцевого зазора 8 относится к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 как 1 к менее чем 5, то интенсивность турбулентности потока жидкой среды в цилиндрическом канале высока на всем протяжении канала, однако скорость потока жидкой среды в цилиндрическом канале 12 также высока и жидкая среда не успевает нагреться до требуемой температуры.

Кроме того, для поддержания турбулентного режима потока жидкой среды на всем протяжении цилиндрического канала 12 экспериментальным путем было определено, что диаметр цилиндрического канала 12 должен относиться к высоте сердечника как 1 к 10-33. Под высотой сердечника здесь и далее в настоящем описании понимается размер длины цилиндрического канала 12 по его оси. При этом если диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к менее чем 10, то жидкая среда обладает высокой интенсивностью турбулентности на всем протяжении цилиндрического канала 12, однако поток жидкой среды быстро проходит сквозь цилиндрический канал 12 и не успевает нагреваться до требуемого уровня температуры. Если диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к более чем 33, то интенсивность турбулентности жидкой среды в цилиндрическом канале 12 на подходе к выходному патрубку 6 снижается до нулевого значения и поток жидкой среды движется в ламинарном режиме. При этом происходит индукционный нагрев только слоев жидкой среды близких к стенке цилиндрического канала 12 и соответственно происходит нерациональный расход электроэнергии.

Кроме того, экспериментальным путем было определено, что наиболее эффективный нагрев жидкой среды при минимальных затратах электроэнергии происходит в индукционном нагревателе, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17-28. В цилиндрическом канале 12, выполненном с указанными соотношениями размеров, на всем протяжении цилиндрического канала 12 поток жидкой среды перемещался в турбулентном режиме, причем наиболее высокая интенсивность турбулентности потока жидкой среды наблюдалась в цилиндрическом канале 12, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17. В цилиндрическом канале 12, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 28, интенсивность турбулентности потока жидкой среды снижалась при приближении указанного потока к выходному патрубку 6, однако переход указанного потока в ламинарный режим не наблюдался. При этом в цилиндрическом канале 12, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17-28, выполнялся нагрев жидкой среды до необходимого значения температуры.

Следует понимать, что в цилиндрическом канале 12, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17, нагрев до необходимого значения температуры должен осуществляться со скоростью большей, чем в цилиндрическом канале 12, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 28. Поэтому в индукционном нагревателе, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17, мощность переменного тока, подаваемого на индукционную катушку 10, должна быть больше мощности переменного тока, подаваемого на индукционную катушку 10, в индукционном нагревателе, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 28. Или в индукционном нагревателе, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 17, давление потока жидкой среды во входном патрубке 3 должно быть ниже, чем давление потока жидкой среды во входном патрубке 3, в индукционном нагревателе, в котором диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к 28.

Также для дополнительного увеличения турбулентности потока жидкой среды на входе цилиндрического канала 12 сердечника (на втором его конце 14) установлена втулка 15, диаметр внутреннего отверстия 16 которой относится к высоте сердечника как 1 к 11,5-32,5. Если диаметр внутреннего отверстия 16 втулки 15 относится к высоте сердечника как 1 к менее чем 11,5, то жидкая среда обладает высокой интенсивностью турбулентности после входа в цилиндрический канал 12, однако часть потока жидкой среды, обладающая высокой скоростью, быстро проходит сквозь цилиндрический канал 12 и не успевает нагреваться до требуемого уровня температуры. Если диаметр цилиндрического канала 12 относится к высоте сердечника как 1 к более чем 32,5, то интенсивность турбулентности потока жидкой среды после входа в цилиндрический канал 12 несущественно увеличивается и влияние втулки 15 на дальнейшее движение потока жидкой среды практически неощутимо.

Для увеличения теплоотдачи от индукционной катушки 10 на кожух 7, включающий сердечник 11, и снижения тепловых потерь во время работы индукционного нагревателя внутренняя полость защитного кожуха 7 заполнена диэлектрическим материалом с высоким коэффициентом теплопроводности.

Также для дополнительного увеличения турбулентности потока жидкой при ее входе в цилиндрический канал 12 сердечника через второй его конец 14, па дне корпуса 1, напротив цилиндрического канала 12 сердечника выполнен выступ 17, который может быть выполнен в виде цилиндра или более предпочтительно многогранной призмы. При этом экспериментальным путем было определено, что площадь поверхности выступа 17, обращенной к цилиндрическому каналу 12 (ко второму его концу 14), относится к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 как 0,4-0,8 к 1. Если отношение указанной площади поверхности выступа 17 к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 будет менее 0,4, то влияние выступа 17 на увеличения турбулентности потока жидкой среды на входе в цилиндрический канал 12 будет незначительно. Если отношение указанной площади поверхности выступа 17 к площади проходного сечения цилиндрического канала 12 будет более 0,8, то наблюдается прохождения турбулентного потока жидкой среды по поверхности дна 2 корпуса 1, причем в цилиндрический канал 12 входит поток жидкой среды, интенсивность турбулентности которого уже понижена.

Для снижения влияния вибраций индукционной катушки 10 во время работы индукционного нагревателя защитная крышка 19 поджата к защитному кожуху 7 гайкой 18 навинченной на выходной патрубок 6. Для этого участок выходного патрубка 6, в месте соединения указанного выходного патрубка 6 с каналом 12 сердечника снабжен резьбой.

Заявленный индукционный нагреватель жидкой среды работает следующим образом.

На индукционную катушку 10 подают переменный электрический ток, а через входной патрубок 3 в корпус 1 подают под давлением жидкую среду (например, воду). Жидкая среда поступает в кольцевой зазор 8, по которому она достигает дна 2. Затем жидкая среда заполняет щелевой зазор 9. Из щелевого зазора 9 поток жидкой среды через второй конец 14 цилиндрического канала 12 сердечника входит в цилиндрический канал 12. В цилиндрическом канале 12 ноток жидкой среды, находясь в турбулентном режиме, нагреваясь за счет теплообмена с внутренней поверхностью цилиндрического канала 12 сердечника, поднимается в сторону первого конца 13 цилиндрического канала 12 сердечника. Через первый конец 13 цилиндрического канала 12 сердечника жидкая среда поступает в выходной патрубок 6 и далее к потребителю.

Во время работы индукционного нагревателя жидкой среды, жидкая среда, поступающая в кольцевой зазор 8, омывая кожух 7, охлаждает его и нагревается сама за счет теплообмена. Входя в щелевой зазор 9, потоки жидкой среды сталкиваются и перемешиваются, при этом интенсивность турбулентности жидкой среды в щелевом зазоре значительно возрастает. Если дно 2 снабжено выступом 17, то это создает дополнительные условия для повышения интенсивности турбулентности на входе в цилиндрический канал 12, хотя использование указанного выступа необязательно.

Также дополнительному повышению интенсивности турбулентности потока жидкой среды на входе в цилиндрический канал 12 может способствовать втулка 15, установленная на втором конце 14 цилиндрического канала 12.

После входа в цилиндрический канал 12 турбулентный поток жидкой среды нагревается за счет теплообмена с внутренней поверхностью цилиндрического канала 12 сердечника и двигается вверх к первому концу 13 цилиндрического канала 12. При этом интенсивность турбулентности постепенно снижается, но поток жидкой среды до конца цилиндрического канала 12 не переходит в ламинарный режим.

Таким образом, осуществляется нагрев жидкой среды в заявленном индукционном нагревателе жидкой среды.

Для подтверждения полученного технического результата были изготовлены и испытаны образцы индукционного нагревателя жидкой среды, описанные ниже в примерах.

Пример 1.

В соответствии с вышеприведенным описанием был изготовлен индукционный нагреватель жидкой среды, у которого площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 5. Диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 11.

Через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали воду с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³/час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=5кВт. Из выходного патрубка выходила нагретая вода, а количество тепла составило 4200 ккал/ч.

Для сравнения в индукционном нагревателе жидких сред, изготовленном в соответствии с ближайшим аналогом, с использованием такой же индукционной катушки как и в индукционном нагревателе жидких сред примера 1, через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали воду с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³ /час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=5кВт. При этом из выходного патрубка выходила нагретая вода, а количество тепла составило 3750 ккал/ч.

Пример 2.

В соответствии с вышеприведенным описанием был изготовлен индукционный нагреватель жидкой среды, у которого площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 6,5. Диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 20.

Через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали масло с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³/час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=8кВт. Из выходного патрубка выходило нагретое масло, а количество тепла составило 4050 ккал/ч.

Для сравнения в индукционном нагревателе жидких сред, изготовленном в соответствии с ближайшим аналогом, с использованием такой же индукционной катушки как и в индукционном нагревателе жидких сред примера 2, через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали масло с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³/час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=8кВт. Из выходного патрубка выходило нагретое масло, а количество тепла составило 3400 ккал/ч.

Пример 3.

В соответствии с вышеприведенным описанием был изготовлен индукционный нагреватель жидкой среды, у которого площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 9. Диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 33.

Через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали тосол с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³ /час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=5кВт. Из выходного патрубка выходил нагретый тосол, а количество тепла составило 4250 ккал/ч.

Для сравнения в индукционном нагревателе жидких сред, изготовленном в соответствии с ближайшим аналогом, с использованием такой же индукционной катушки как и в индукционном нагревателе жидких сред примера 3, через входной патрубок в корпус индукционного нагревателя подавали тосол с температурой Т₀=20°С со скоростью протока 1500 м³/час, на индукционную катушку подавали напряжение с частотой 50 Гц и мощностью W=5кBт. При этом из выходного патрубка выходил нагретый тосол, а количество тепла составило 3800 ккал/ч.

Таким образом, за счет того, что цилиндрический канал, одним своим концом соединен с выходным патрубком, а вторым своим концом сообщен со щелевым зазором, при этом указанные корпус, защитный кожух, цилиндрический канал и выходной патрубок соосны, а защитный кожух закрыт защитной крышкой, через которую проходит выходной патрубок, при этом площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 5-9, в заявленном индукционном нагревателе жидкой среды осуществляется эффективный нагрев жидкой среды при рациональном расходе электроэнергии.

1. Индукционный нагреватель жидкой среды, содержащий цилиндрический корпус с дном и входным патрубком, закрывающую открытый торец цилиндрического корпуса крышку с выходным патрубком, индукционную катушку, установленную в цилиндрическом защитном кожухе, который размещен внутри цилиндрического корпуса, с образованием между внутренней цилиндрической поверхностью корпуса и внешней цилиндрической поверхностью защитного кожуха кольцевого зазора и с образованием между внутренней поверхностью дна корпуса и внешней кольцевой поверхностью защитного кожуха щелевого зазора, а центральная часть защитного кожуха является цилиндрическим сердечником с цилиндрическим каналом, который одним своим концом соединен с выходным патрубком, а вторым своим концом, который является входом в цилиндрический канал, сообщен со щелевым зазором, при этом указанные корпус, защитный кожух, цилиндрический канал и выходной патрубок соосны, а защитный кожух закрыт защитной крышкой, через которую проходит выходной патрубок, при этом площадь проходного сечения кольцевого зазора относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 1 к 5-9.

2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 10-33.

3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что диаметр цилиндрического канала сердечника относится к высоте сердечника как 1 к 17-28.

4. Нагреватель по п.1, обличающийся тем, что на входе цилиндрического канала сердечника установлена втулка, диаметр внутреннего отверстия которой относится к высоте сердечника как 1 к 11,5-32,5.

5. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что внутренняя полость защитного кожуха заполнена диэлектрическим материалом с высоким коэффициентом теплопроводности.

6. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что на дне корпуса напротив цилиндрического канала сердечника выполнен выступ.

7. Нагреватель по п.6, отличающийся тем, что выступ выполнен в виде цилиндра.

8. Нагреватель по п.6, отличающийся тем, что выступ выполнен в виде многогранной призмы.

9. Нагреватель по п.6, отличающийся тем, что площадь поверхности выступа, обращенной к цилиндрическому каналу, относится к площади проходного сечения цилиндрического канала как 0,4-0,8 к 1.

10. Нагреватель но п.1, отличающийся тем, что защитная крышка поджата к защитному кожуху гайкой, навинченной на выходной патрубок.