Высокостабильный индукционный проточный нагреватель

 

Изобретение относится к электрическим нагревательным устройствам и может быть использовано для нагрева жидкостей в химической, медицинской промышленности и в сельском хозяйстве. Техническим решением предлагаемого изобретения является повышение энергетических показателей и стабилизация температуры в широком диапазоне расхода и заданных значениях температуры. Поставленная задача достигается тем, что высокостабильный индукционный проточный нагреватель содержит в каждой фазе обмотку и многослойный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб, одна из которых наружная - немагнитная, а внутренняя - ферромагнитная с магнитопроводом из электротехнической стали, с зазором между ними для прохождения и двухстороннего обогрева жидкости, датчик температуры, имеющий тепловой контакт с внутренней ферромагнитной трубой, и нуль-орган, дополнительно содержит выпрямитель с конденсатором фильтра на выходе, трехфазный полупроводниковый коммутатор, распределитель импульсов, формирователь импульсов, генератор импульсов, причем обмотки нагревателя с одной стороны нулевой точкой соединены с плюсовым выводом выпрямителя и конденсатора фильтра, а фазными выводами через транзисторы коммутатора - с минусовыми выводами выпрямителя и конденсатора фильтра, базы транзисторов трехфазного полупроводникового коммутатора соединены с выходом распределителя импульсов, а его вход через формирователь импульсов соединен с генератором импульсов, управляемым от датчика температуры через нуль-орган. 3 ил.

Изобретение относится к электрическим нагревательным устройствам и может быть использовано для нагрева жидкостей в химической, медицинской промышленности и в сельском хозяйстве.

Известен индукционный нагреватель по патенту ГДР DD 46314 А, 06.06.66 г. , который содержит индуктор (обмотку), ферромагнитный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб с зазором для прохода жидкости, в котором наружная - немагнитная. Недостатком известного нагревателя является низкий коэффициент мощности, неравномерность нагрева внутренней и наружной трубы, зависимость температуры нагреваемой поверхности от расхода.

Наиболее близким по техническому решению является индукционный проточный нагреватель по патенту RU 2136123 Н 05 В 6/10, 6/50, 1999 г.

Известный индукционный проточный нагреватель содержит в каждой фазе обмотку и многослойный магнитопровод, выполненный в виде коаксильных полых труб, одна из которых наружная - немагнитная, а внутренняя - ферромагнитная с магнитопроводом из электротехнической стали с зазором между ними для прохождения и двухстороннего обогрева жидкости, датчик температуры и нуль-орган. Недостатком известного нагревателя является низкий коэффициент мощности и неравномерный нагрев труб при изменении угла открытия симисторного регулятора.

Техническим решением предлагаемого изобретения является повышение энергетических показателей и стабилизация температуры в широком диапазоне расхода и заданных значениях температуры.

Поставленная задача достигается тем, что высокостабильный индукционный проточный нагреватель содержит в каждой фазе обмотку и многослойный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб, одна из которых наружная - немагнитная, а внутренняя - ферромагнитная с магнитопроводом из электротехнической стали, с зазором между ними для прохождения и двухстороннего обогрева жидкости, датчик температуры, имеющий тепловой контакт с внутренней ферромагнитной трубой, и нуль-орган, дополнительно содержит выпрямитель с конденсатором фильтра на выходе, трехфазный полупроводниковый коммутатор, распределитель импульсов, формирователь импульсов, генератор импульсов, причем обмотки нагревателя с одной стороны нулевой точкой соединены с плюсовым выводом выпрямителя и конденсатора фильтра, а фазными выводами - через транзисторы коммутатора с минусовыми выводами выпрямителя и конденсатора фильтра, базы транзисторов трехфазного полупроводникового коммутатора соединены с выходом распределителя импульсов, а его вход через формирователь импульсов соединен с генератором импульсов, управляемым от датчика температуры через нуль-орган.

Новизна заявляемого технического решения обусловлена введением выпрямителя с конденсатором фильтра на выходе, трехфазного полупроводникового коммутатора, посредством которого регулируется частота в обмотках нагревателя с обратной связью по температуре от датчика температуры через нуль-орган, генератора импульсов, формирователя импульсов и распределителя импульсов.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, т.к. индукционный проточный нагреватель исследован в лабораторных и полевых условиях и может быть использован в промышленности и сельском хозяйстве.

На фиг.1 изображен общий вид одной фазы нагревателя с частичным продольным разрезом; на фиг.2 - поперечный разрез одной фазы индукционного нагревателя; на фиг.3 - электрическая схема нагревателя.

Индукционный проточный нагреватель (фиг.1, 2, 3) состоит из обмотки 1, которая намотана на немагнитную токопроводящую трубу 2, закрытую с двух сторон крышками 3 с патрубками 4 для подвода и отвода жидкости. Внутри немагнитной трубы 2 находится ферромагнитная труба 5, герметически закрытая, с шихтованным магнитопроводом из электротехнической стали 6. Между трубами 2 и 5 имеется зазор 7 для прохождения нагреваемой жидкости в тонком слое. На внутренней ферромагнитной трубе 5 закреплен датчик температуры 8.

Обмотки 1 высокостабильного индукционного нагревателя с одной стороны нулевой точкой соединены с плюсовым выводом выпрямителя 9 и конденсатором фильтра 10, фазные выводы обмоток 1 (A1, B1, C1) через транзисторы 11 соединены с минусовым выводом выпрямителя 9 и конденсатора 10, базы транзисторов трехфазного полупроводникового коммутатора соединены с выходом распределителя импульсов 12, а его вход через формирователь импульсов 13 соединен с генератором импульсов 14, управляемым от датчика температуры 8 через нуль-орган 15.

Действие высокостабильного индукционного проточного нагревателя основано на использовании поверхностного эффекта в металлических магнитопроводах, поэтому увеличение их технологических и энергетических показателей возможно прежде всего путем создания условий для более резкого проявления поверхностного эффекта.

Высокостабильный индукционный проточный нагреватель работает следующим образом. Электромагнитное поле, создаваемое каждой обмоткой, пронизывает магнитопровод. Верхняя немагнитная труба работает как короткозамкнутый виток, вызывая активные потери по всей длине, и является "прозрачной" для электромагнитной волны. Ферромагнитная труба (определенной толщины, например 4-5 см) для определенной частоты (например, 50-100 Гц) и напряженности магнитного поля (например, 6000-7000 А/м) является полупрозрачной, т.е. электромагнитная волна может проникнуть через толщину трубы и возбудить в ней вихревые токи и соответственно потери энергии. Но окончательно электромагнитная волна не затухает и достигает шихтованного сердечника, в котором возникает поток магнитной индукции, последний наводит вторичную ЭДС в ферромагнитной трубе, создает ярко выраженный поверхностный эффект и дополнительные потери, передаваемые нагреваемой среде.

Таким образом, в трубах возникают активные потери, вызывающие их нагрев. Поэтому при прохождении жидкости между трубами последняя нагревается в тонком слое с двух сторон.

Функционально высокостабильный индукционный проточный нагреватель работает следующим образом. Трехфазная сеть А, В, С подключается к выпрямителю 9, пульсирующее постоянное напряжение фильтруется и сглаживается конденсатором фильтра 10 и поступает на обмотки 1 индуктора и транзисторы 11 коммутатора. В начальный момент времени на нуль-орган подается сигнал U_зад. Генератор импульсов 14 генерирует импульсы максимальной частоты, которые поступают на формирователь импульсов 13, где формиpyютcя импульсы определенной длительности. Эти импульсы в распределителе импульсов 12 подаются поочередно на базы транзисторов 11, последние поочередно открываются и подключают обмотки 1 к источнику постоянного напряжения "плюс", "минус". По обмоткам проходит ток максимальной частоты. В трубах происходят максимальные потери, происходит интенсивный нагрев жидкости. При определенной температуре изменяется состояние датчика температуры 8, нуль-орган сравнивает U_зад с сигналом обратной связи и изменяет U_упр, частота генератора 14 снижается, снижается частота коммутации транзисторов 11, уменьшаются потери в нагревателе и температура жидкости стабилизируется.

При увеличении расхода жидкости температура снижается, сигнал обратной связи уменьшается, суммарный сигнал управления U_упр возрастает, возрастает частота генератора импульсов 14, соответственно частота коммутации транзисторов 11, возрастают потери и температура стабилизируется.

Таким образом, автоматически с большим быстродействием (зависит от инерционности датчика) происходит стабилизация температуры.

Формула изобретения

Высокостабильный индукционный проточный нагреватель содержит в каждой фазе обмотку и многослойный магнитопровод, выполненный в виде коаксиальных полых труб, одна из которых, наружная - немагнитная, а внутренняя - ферромагнитная с магнитопроводом из электротехнической стали, с зазором между ними для прохождения и двухстороннего обогрева жидкости, датчик температуры, имеющий тепловой контакт с внутренней ферромагнитной трубой, и нуль-орган, отличающийся тем, что дополнительно содержит выпрямитель с конденсатором фильтра на выходе, трехфазный полупроводниковый коммутатор на транзисторах, распределитель импульсов, формирователь импульсов, генератор импульсов, причем обмотки нагревателя с одной стороны нулевой точкой соединены с плюсовым выводом выпрямителя и конденсатора фильтра, а фазными выводами через транзисторы коммутатора - с минусовыми выводами выпрямителя и конденсатора фильтра, базы транзисторов трехфазного полупроводникового коммутатора соединены с выходом распределителя импульсов, а его вход через формирователь импульсов соединен с генератором импульсов, управляемым от датчика температуры через нуль-орган.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3