Способ обработки текучих сред и индукционный нагреватель для его осуществления

Изобретение может быть использовано для термической стерилизации текучих сред, а также при нагреве оборотной или свежей воды в системах водяного отопления или горячего водоснабжения, при сушке или термообработке сыпучих материалов. Способ обработки текучих сред заключается в подаче порции или потока текучей среды в индукционный нагреватель и нагреве этой среды на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки указанного нагревателя с одновременным наложением механических вибраций нагревательного элемента, причем частота механических вибраций нагревательного элемента соответствует частоте колебаний электромагнитного поля индукционной обмотки. Предложен также индукционный нагреватель для обработки текучих сред, содержащий замкнутый магнитопровод, индукционную обмотку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода и снабжена средством для подключения к источнику переменного тока, а также бак, в полости которого расположен короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент, установленный с возможностью механической вибрации под действием знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки. Изобретение позволяет предотвратить зарастание теплопередающих поверхностей осадком и обеспечить эффективную стерилизацию воды при сохранении высокой производительности и низких рабочих температурах. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 16 ил., 2 табл.

 

Область техники

Изобретение относится к процессам обработки текучих сред и к конструкции индукционных нагревателей для их осуществления.

Здесь и далее, применительно к изобретению, обозначены:

термином «текучая среда»:

во-первых, вода из произвольных природных источников, особенно жесткая и/или загрязненная патогенной микрофлорой,

во-вторых, произвольные жидкости и газы с естественными и/или искусственными дисперсными (в том числе, механическими) примесями, то есть истинные растворы и/или суспензии и/или эмульсии и,

в-третьих, сыпучие материалы типа зерна, древесных опилок или иных дисперсных материалов растительного происхождения, песка или иных предварительно диспергированных полезных ископаемых;

термином «обработка» - нагрев текучей среды, которая находится в замкнутом объеме или протекает (пересыпается) через замкнутый объем бака индукционного нагревателя, на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки и механических вибраций с частотой, которая соответствует (в частности, кратна) частоте колебаний указанного электромагнитного поля;

термином «индукционный нагреватель» - аппарат периодического или предпочтительно непрерывного действия, оснащенный магнитопроводом, по меньшей мере одной индукционной обмоткой, баком для размещения или протекания обрабатываемой текучей среды и по меньшей мере одним короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом;

термином «короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент» - резистивный нагревательный элемент, который установлен в баке индукционного нагревателя в зоне действия знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки, служит проводником для индуцированных вихревых токов и, во время работы, под действием указанного поля одновременно генерирует тепло и механически вибрирует.

Уровень техники

Общеизвестно, что нагрев многих текучих сред служит необходимой предпосылкой их дальнейшего практического использования. Простейшие примеры - испарение воды в произвольных паровых котлах и нагрев оборотной или свежей воды соответственно в замкнутых системах водяного отопления или в разомкнутых системах горячего водоснабжения. Общеизвестна и потребность в термическом подавлении патогенной микрофлоры в разнообразных текучих средах, в частности в стерилизации:

воды для питья и, особенно, для медицинских нужд,

молока животных (обычно коровьего, реже козьего и т.д.) и молочных продуктов на основе растительного сырья типа сои, орехов и т.д.

Не менее важен нагрев при подготовке обводненной нефти и гидратированного природного газа перед их подачей в магистральные трубопроводы и при сушке или иной термообработке сыпучих материалов.

Для всех перечисленных текучих сред характерны примеси, которые могут осаждаться на теплопередающих поверхностях.

Иногда выпадение осадков снижает лишь эффективность нагревателей, но не ухудшает (а нередко даже улучшает) качество нагретого продукта, как это происходит с водой после оседания накипи.

Гораздо чаще эффективность нагревателей и качество нагретых продуктов снижаются одновременно. Примерами могут служить стерилизация или сгущение молока в обычных стерилизаторах или выпарных аппаратах. В этих процессах часть белков коагулирует и оседает на теплопередающих поверхностях и в трубопроводах, а питательная ценность белка, который остается в стерилизованном молоке, из-за термической денатурации снижается тем заметнее, чем выше рабочая температура.

Еще сложнее стерилизовать воду, содержащую стойкую к нагреву микрофлору, например споры сибиреязвенных бацилл. В этих случаях зарастание теплопередающих поверхностей осадком происходит медленно, но на первый план выходит проблема надежности и скорости стерилизации при как можно меньшем удельном расходе энергии.

К сожалению, инженеры слишком долго боролись либо только с предпосылками, либо только с последствиями упомянутых нежелательных явлений, не вмешиваясь в процесс нагрева как таковой. Одни лишь списки (не рефераты!) публикаций, посвященных обессоливанию воды перед кипячением или удалению накипи, термической стерилизации воды и текучих пищевых продуктов могут занять сотни страниц.

Поэтому даже мысль о возможности термообработки химически неоднородных текучих сред без заметного блокирования теплопередающих поверхностей осадками и ухудшения качества термообработанных текучих сред до недавних пор была крамольной.

«Свет в конце туннеля» появился с выходом на рынок технологии регулируемой гидродинамической кавитации в текучих средах. Эта технология основана на прокачке потока текучей среды через трубопровод, по меньшей мере один участок которого оснащен подходящим турбулизатором как средством возбуждения кавитации.

Схлопывание кавитационных пузырьков сопровождается нагревом текучей среды и возбуждением в ней механических колебаний преимущественно в полосе звуковых частот. Интенсивность этих колебаний достаточна для тонкого диспергирования твердых или жидких примесей к жидкой основе текучих сред и заметного уменьшения зарастания стенок кавитационных аппаратов и трубопроводов осадками.

Далее, совместное действие повышенной температуры и интенсивных механических колебаний приводит к термомеханической деструкции не только микроорганизмов с клеточной структурой, но и произвольных полимеров. Так, в экспериментах с изготовлением и стерилизацией соевой пасты в кавитационных аппаратах было установлено, что при определенных режимах возможна глубокая механохимическая деструкция растительных белков с выделением сероводорода (запах которого исходил от бракованной соевой пасты).

Иначе говоря, нагрев на фоне механических вибраций оказался довольно универсальным средством обработки разнообразных текучих сред и существенного изменения их физических и/или химических свойств и/или химического состава.

Однако кавитационные аппараты применимы для обработки только таких текучих сред, которые приготовлены на жидкой основе и находятся под существенным избыточным (в сравнении с атмосферным) давлением.

Например, из WO 98/42987 известно такое устройство для воздействия на поток текучей среды, в котором для возбуждения кавитации в основной поток жидкой текучей среды вводят по меньшей мере одну возмущающую струю той же самой или иной по химическому составу жидкой текучей среды.

К сожалению, кавитационный процесс в таких устройствах можно регулировать только изменением давления на входе основной и возмущающей струй в зону турбулизации. Поэтому применение кавитационных устройств ограничено нагревом воды для систем водяного отопления и горячего водоснабжения, приготовлением, как правило, бинарных (например, водомазутных) эмульсий и диспергированием набухших семян растений. Но даже для таких простых процессов в кавитационных устройствах необходимо предусматривать либо контуры рециркуляции обрабатываемой текучей среды (чтобы постепенно измельчать крупные частицы примесей до требуемых размеров), либо интенсифицировать кавитационный режим (что резко снижает надежность аппаратуры).

В WO 02/016783 А1 было предложено регулировать концентрацию трудно сжижаемых газов (обычно воздуха) в текучей среде и, тем самым, скорость схлопывания кавитационных пузырьков (которая будет тем меньше, чем выше концентрация таких газов в кавитирующей жидкости). Соответственно, был предложен набор средств газирования и/или дегазации потоков текучих сред перед возбуждением и/или после возбуждения кавитации с использованием произвольного турбулизатора. Это позволило повысить надежность кавитационных устройств в указанной выше узкой области их применения.

Понятно, что одновременные выделение тепла и механические колебания во всем объеме обрабатываемых текучих сред весьма привлекательны для технологов.

Однако чем выше вязкость текучих сред, тем труднее возбудить в них кавитацию с целью нагрева и механохимической обработки примесей. Далее, механические колебания, вызываемые схлопыванием кавитационных пузырьков, практически нельзя регулировать ни по амплитуде, ни по частоте даже при условии управления концентрацией газов в текучих средах (поэтому шум от работающих кавитационных аппаратов настолько силен, что они нуждаются в надежной звукоизоляции, которая затрудняет их техническое обслуживание и ремонт). И, наконец, в таких аппаратах нельзя обрабатывать сыпучие материалы и аэрозоли, в которых кавитация невозможна.

Поэтому для одновременной термической и механохимической обработки текучих сред нужны такие средства, которые будут лишены вышеуказанных недостатков.

Их основой, с точки зрения изобретателей, могут стать индукционные нагреватели, активную мощность которых можно выбирать в широком диапазоне в зависимости от подлежащих обработке объемов текучих сред и легко регулировать в интервале от нуля до максимально допустимой для конкретного нагревателя, чтобы не допускать перегрева обрабатываемой текучей среды выше заранее заданной температуры.

Уже известно применение индукционного нагрева для обработки текучих сред [см., например, B.C.Чередниченко, Г.В.Снегирева и К.В.Хацевский «Электротехнологические процессы обработки воды в индукционных системах нагрева жидкостей» / Научный вестник Новосибирского государственного технического университета, 2003, №1 (14), Россия].

В этой статье на примере высокотемпературного (до кипения) нагрева стандартной водопроводной воды, содержащей 6-7 мг·экв/кг солей жесткости, описаны наиболее близкие к предлагаемым далее процессам и аппаратам:

(1) способ обработки текучих сред, включающий

а) подачу порции или потока неоднородной по химическому составу текучей среды в индукционный нагреватель, который имеет бак, оснащенный по меньшей мере одним средством ввода-вывода текучей среды и расположенным внутри по меньшей мере одним короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом, который во время работы нагревателя связан электромагнитным полем с по меньшей мере одной индукционной обмоткой,

б) нагрев этой среды на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля до температуры и в течение времени, которые достаточны для достижения желаемых результатов (в частности, до преобразования солей жесткости в тонкодисперсный шлам, который может свободно витать в обработанной текучей среде), и

в) вывод обработанной текучей среды из индукционного нагревателя;

(2) индукционный нагреватель для обработки текучих сред, имеющий

(а) замкнутый магнитопровод, включающий по меньшей мере два стержня и два соединительных ярма;

(б) в частности, по меньшей мере односекционную индукционную обмотку, которая охватывает по меньшей мере один выбранный стержень магнитопровода и снабжена средством для подключения к источнику переменного тока;

(в) предпочтительно (хотя и не обязательно) проточный бак из произвольного (в частности, электропроводного ферромагнитного) материала, который имеет

по меньшей мере одну внутреннюю стенку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода (в частности, вместе с индукционной обмоткой), обычно одну внешнюю стенку, которая расположена с зазором относительно внутренней стенки, и (в частности, верхнюю и нижнюю) торцовые стенки, которые плотно перекрывают зазор между указанными внутренней и внешней стенками,

по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент, размещенный в полости бака и связанный электромагнитным полем, во время работы нагревателя, с по меньшей мере одной индукционной обмоткой, и

по меньшей мере одно средство для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды.

В известном индукционном нагревателе каждый короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент выполнен в виде кольца, которое жестко закреплено внутри бака коаксиально его внутренней стенке. Для снижения вероятности выпадения накипи каждое такое кольцо обычно имеет гладкую (полированную) поверхность, а боковые стороны колец могут быть наклонены к горизонтали под углом, который превышает угол естественного откоса частиц шлама в спокойной текучей среде.

Описанная технология нацелена только на подавление осаждения солей на теплопередающих поверхностях при нагреве жесткой воды. Обоснования такого результата обычно ограничены указанием на экспериментально подтвержденный факт преобразования солей жесткости (под одновременным влиянием нагрева и знакопеременного электромагнитного поля) в тонкодисперсный шлам, способный витать в нагретой воде.

К сожалению, электротепловые процессы такого рода протекают в сверхтонких слоях текучей среды, которые непосредственно прилегают к теплопередающим поверхностям. Блокирование этих поверхностей осадками исключено лишь тогда, когда скорость перемещения обрабатываемой текучей среды вдоль них превышает некоторую (разную для разных по составу и вязкости текучих сред) минимальную скорость, при которой начинается поверхностное кипение жидкой основы текучей среды. При нарушении этого условия накипь осаждается даже на полированных вертикальных поверхностях. Поэтому в известном индукционном нагревателе можно обрабатывать лишь легко текучие среды типа ньютоновских жидкостей и в принципе невозможно обрабатывать сыпучие материалы.

Сущность изобретения

В основу изобретения положена задача изменением условий и средств электротеплового воздействия на текучие среды создать такой способ их обработки и такой индукционный нагреватель, которые обеспечивали бы эффективное перемешивание обрабатываемых текучих сред практически во всем объеме и, тем самым, позволили бы существенно расширить область практического применения индукционных нагревателей.

Эта задача решена тем, что в способе обработки текучих сред, включающем

подачу порции или потока текучей среды в индукционный нагреватель, который имеет бак, оснащенный по меньшей мере одним средством ввода-вывода текучей среды и расположенным внутри по меньшей мере одним короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом,

нагрев этой среды на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля указанного нагревателя и

вывод обработанной текучей среды,

согласно изобретению

текучую среду подают в индукционный нагреватель, в котором по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент установлен в баке с возможностью механической вибрации в знакопеременном электромагнитном поле, и

нагревают выбранную текучую среду на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля с одновременным наложением механических вибраций с частотой, которая соответствует частоте колебаний электромагнитного поля индукционной обмотки.

Интенсивная механическая вибрация обеспечивает эффективное перемешивание обрабатываемых текучих сред практически во всем объеме бака индукционного нагревателя. Достигаемое при этом выравнивание температурного поля существенно ослабляет опасность локального перегрева тех микрослоев обрабатываемых текучих сред, которые непосредственно прилегают к теплопередающим поверхностям. Это позволяет существенно снизить риск появления осадков на всех теплопередающих поверхностях и расширить технологические возможности индукционных нагревателей, а именно

обрабатывать многие, предпочтительно легко текучие среды типа низкоконцентрированных водных растворов солей или стерилизуемой воды, даже в таких индукционных нагревателях, которые эксплуатируют в периодическом режиме;

обрабатывать более вязкие среды типа подлежащих пастеризации или стерилизации фруктовых и/или овощных соков, молока, сиропов и т.п. преимущественно в режиме непрерывной прокачки через проточные баки индукционных нагревателей и

обрабатывать текучие среды типа сыпучих материалов в режиме непрерывного пересыпания через проточные баки индукционных нагревателей.

Мало того, описанный способ, как будет показано далее, неожиданно оказался пригодным для быстрой и экономичной стерилизации воды, которая загрязнена патогенной микрофлорой, стойкой к длительному нагреву в автоклавах.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что обработку проводят в непрерывном режиме в индукционном нагревателе с проточным баком, который оснащен по меньшей мере одним отверстием для подачи текучей среды на обработку вдоль теплопередающих поверхностей короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов и по меньшей мере одним отверстием для вывода обработанной текучей среды. Таким путем предпочтительно обрабатывать текучие среды на жидкой основе.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что обработку проводят в непрерывном режиме в индукционном нагревателе с проточным баком, который оснащен сверху по меньшей мере одним отверстием для подачи текучей среды на обработку вдоль теплопередающих поверхностей короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов и снизу по меньшей мере одним отверстием для вывода обработанной текучей среды. Таким путем предпочтительно обрабатывать текучие среды типа сыпучих материалов.

Задача решена также тем, что в индукционном нагревателе для обработки текучих сред, который имеет

(а) замкнутый магнитопровод, включающий по меньшей мере два стержня и два соединительных ярма;

(б) по меньшей мере односекционную индукционную обмотку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода и снабжена средством для подключения к источнику переменного тока,

(в) бак, который имеет

по меньшей мере одну внутреннюю стенку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода, по меньшей мере одну внешнюю стенку, которая расположена с зазором относительно внутренней стенки, и торцовые стенки, которые плотно перекрывают зазор между указанными внутренней и внешней стенками,

по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент, размещенный в полости бака и связанный, во время работы нагревателя, электромагнитным полем с по меньшей мере одной индукционной обмоткой, и

по меньшей мере одно средство для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды,

согласно изобретению

по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент установлен внутри бака с возможностью механической вибрации под действием знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки.

Именно это конструктивное отличие в совокупности с остальными признаками обеспечивает преимущества, которые указаны выше после краткого описания способа обработки текучих сред согласно изобретению.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что каждый указанный короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент выполнен в виде открытой с торцов осесимметричной оболочки. Это позволяет эффективно передавать вибрацию в толщу обрабатываемой текучей среды и препятствует формированию отложений на теплопередающих поверхностях по всей их площади.

Второе, дополнительное к первому отличие состоит в том, что нагреватель имеет по меньшей мере два короткозамкнутых электропроводных нагревательных элемента в виде свободно охватывающих одна другую открытых с торцов осесимметричных оболочек. Это позволяет выравнивать механическую нагрузку во всем объеме обрабатываемых текучих сред даже в случаях, когда их вязкость существенно превышает вязкость воды.

Третье, дополнительное к первому или второму отличие состоит в том, что каждая указанная осесимметричная оболочка соединена с одной из стенок бака проницаемыми для текучей среды упругими опорами. Такие опоры обеспечивают удобство крепления осесимметричных оболочек внутри бака и достаточную свободу их механических колебаний под действием знакопеременного электромагнитного поля.

Четвертое, дополнительное к третьему отличие состоит в том, что указанные свободно охватывающие одна другую осесимметричные оболочки поочередно присоединены указанными упругими опорами к противоположным торцовым стенкам бака. Это позволяет устанавливать осесимметричные оболочки на разной высоте, а в случае расположения выходного патрубка вблизи индукционной обмотки обеспечить такую организацию потока обрабатываемой текучей среды, когда она по мере нагрева приближается к указанной обмотке и попадает в зону максимального действия магнитного поля.

Пятое, дополнительное к третьему или четвертому отличие состоит в том, что собственная частота f_o колебаний каждой пары «короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент в виде осесимметричной оболочки - упругая опора» удовлетворяет соотношению f_o=(0,5-2,0)·2f_c, где f_с - рабочая частота источника переменного тока, используемого для питания индукционной обмотки. Принудительные колебания короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов с частотой, близкой к их резонансной частоте, дополнительно затрудняют осаждение на теплопередающих поверхностях таких примесей, которые изначально присутствовали в текучих средах или возникли в процессе их обработки. Это позволяет создавать индукционные нагреватели, которые таким образом специализированы на обработке определенных текучих сред, что позволяют наиболее эффективно защищать теплопередающие поверхности от осадков.

Шестое, дополнительное к первому отличие состоит в том, что в полости бака установлена по меньшей мере одна опора в виде жесткой проницаемой для обрабатываемой текучей среды подставки, которая имеет один паз для свободного размещения торцовой части по меньшей мере одной указанной осесимметричной оболочки. Даже если подставки выполнены в виде колец, они обеспечивают практически свободные деформационные перемещения вибрирующих осесимметричных оболочек. Если же подставки имеют вид нескольких располагаемых на равных угловых расстояниях деталей, то их расположение в баке относительно входного отверстия нетрудно выбрать так, чтобы минимизировать гидравлическое сопротивление потоку обрабатываемой текучей среды.

Седьмое, дополнительное к шестому отличие состоит в том, что нагреватель имеет по меньшей мере две расположенные на разной высоте указанные подставки и равное количеству подставок количество ярусов указанных осесимметричных оболочек, при этом подставки нижнего яруса установлены на нижней торцовой стенке бака, а подставки каждого последующего яруса прикреплены к внутренней или внешней стенке бака и установлены с осевым зазором относительно осесимметричных оболочек предшествующего яруса. Это облегчает введение осесимметричных оболочек в резонансный режим колебаний и механохимическую обработку текучих сред под действием тепла, знакопеременного электромагнитного поля и интенсивных вибраций.

Восьмое и девятое, дополнительные ко второму или седьмому отличия состоят соответственно в том, что указанные осесимметричные оболочки изготовлены

из одинакового по удельному электрическому сопротивлению материала и имеют разную возрастающую по мере удаления от индукционной обмотки толщину или

из материалов с разным убывающим по мере удаления от индукционной обмотки удельным электрическим сопротивлением.

Это позволяет выравнивать мощность вихревых токов, индуцируемых в осесимметричных оболочках, расположенных на разном удалении от индукционной обмотки, и, следовательно, выравнивать температурное поле в объеме бака.

Десятое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель оснащен такими дополнительными источниками постоянного магнитного поля, которые выбраны из группы, состоящей из постоянных магнитов, которые попарно закреплены вблизи противоположных торцовых стенок бака с условием, что магниты в каждой паре обращены один к другому разноименными магнитными полюсами, и токовых обмоток, которые попарно охватывают стержни магнитопровода по разные стороны торцовых стенок бака и снабжены средствами встречного подключения к источнику постоянного тока. Взаимодействие знакопеременных вихревых токов, индуцируемых в осесимметричных оболочках, и постоянного магнитного поля

во-первых, существенно увеличивает механическую вибрацию указанных оболочек и обрабатываемой текучей среды,

во-вторых, способствует усилению роли магнитного поля в физико-химических преобразованиях примесей, которые содержат обрабатываемые жидкие среды, и,

в-третьих, дополнительно препятствует отложению осадков на теплопередающих поверхностях.

Одиннадцатое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель имеет

магнитопровод с тремя вертикальными стержнями, которые жестко связаны общим нижним ярмом и общим верхним ярмом,

трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода, и

три отдельных проточных бака, каждый из которых охватывает одну из секций индукционной обмотки и оснащен внутри по меньшей мере одним таким короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом, который выполнен в виде открытой с торцов осесимметричной оболочки, охватывающей внутреннюю стенку бака и соответствующую секцию индукционной обмотки.

Такой индукционный нагреватель предназначен для подключения к трехфазной промышленной электросети переменного тока непосредственно или через подходящий преобразователь частоты и может быть использован как высокопроизводительный аппарат для обработки одинаковых или разных по составу текучих сред на жидкой основе.

Двенадцатое, дополнительное к одиннадцатому отличие состоит в том, что нагреватель имеет

общий раздаточный коллектор с нижними входными патрубками для подачи в указанные баки свежей текучей среды на обработку и

общий сборный коллектор для отвода обработанной текучей среды из указанных баков через верхние отводящие патрубки.

Такая трубопроводная обвязка облегчает эксплуатацию трехсекционного нагревателя с отдельными баками.

Тринадцатое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель имеет

магнитопровод с тремя вертикальными стержнями, которые жестко связаны общим нижним ярмом и общим верхним ярмом,

трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода,

один проточный бак, который имеет одну общую внешнюю стенку, охватывающую все секции индукционной обмотки, три отдельные внутренние стенки, каждая из которых охватывает одну секцию индукционной обмотки, и

короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы в виде по меньшей мере трех открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые установлены по меньшей мере в один ярус на проницаемых для текучей среды упругих опорах или жестких подставках коаксиально соответствующим внутренним стенкам указанного бака, а

отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены соответственно в торцовых стенках указанного бака.

Таким путем удается существенно уменьшить гидравлическое сопротивление потоку обрабатываемой текучей среды и эксплуатационные расходы на ее прокачку через бак.

Четырнадцатое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель имеет

двухсекционную однофазную индукционную обмотку, секции которой установлены с осевым зазором вокруг одного вертикального стержня магнитопровода,

в средстве для подключения указанных секций к источнику переменного тока предусмотрены один общий для обеих секций вход и два выхода через полупроводниковые диоды с различной полярностью отдельно для каждой секции,

бак размещен в указанном осевом зазоре между торцами указанных секций,

к внутренней и внешней стенкам бака практически параллельно торцам указанных секций по меньшей мере в два яруса прикреплены опорные обоймы, проницаемые для текучей среды,

короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы выполнены в виде по меньшей мере двух плоских колец, которые практически горизонтально установлены в указанных обоймах с возможностью вибраций, а

отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных частях внешней стенки бака.

Такой индукционный нагреватель наиболее удобен для стерилизации воды для питьевых и медицинских нужд.

Пятнадцатое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель имеет

магнитопровод, имеющий верхний и нижний горизонтальные стержни и вертикально расположенные «левое» ярмо и «правое» ярмо,

однофазную индукционную обмотку и проточный горизонтальный бак, которые охватывают один горизонтальный стержень указанного магнитопровода, и

по меньшей мере два короткозамкнутых электропроводных нагревательных элемента в виде плоских колец, которые вертикально расположены внутри бака,

при этом отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях внешней стенки бака.

Такой индукционный нагреватель пригоден для обработки текучих сред, которые представляют собою сыпучие материалы.

Шестнадцатое, дополнительное к пятнадцатому отличие состоит в том, что нагреватель оснащен дополнительными источниками магнитного поля в виде постоянных магнитов, которые установлены в зазоре между внешней стенкой бака и соответствующим горизонтальным стержнем магнитопровода. Взаимодействие знакопеременного индуцированного тока и постоянного магнитного поля существенно увеличивает механическую вибрацию указанных плоских колец и обрабатываемого сыпучего материала, что практически исключает зависание такого материала внутри бака.

Семнадцатое дополнительное отличие состоит в том, что нагреватель имеет

горизонтально расположенный магнитопровод с тремя стержнями, которые жестко связаны общим «передним» ярмом и общим «задним» ярмом,

трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода,

проточный бак, который имеет одну общую внешнюю стенку, охватывающую все секции индукционной обмотки, и три отдельные внутренние стенки, каждая из которых охватывает одну секцию индукционной обмотки, и

три группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов, каждый из которых выполнен в виде плоского кольца, при этом каждая группа содержит по меньшей мере два указанных кольцевых элемента, которые установлены с осевыми зазорами с возможностью свободных колебаний по меньшей мере в вертикальном направлении и все вместе охватывают соответствующую внутреннюю стенку указанного бака, а

отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях указанной общей внешней стенки бака.

Индукционный нагреватель такого типа равно пригоден для обработки текучих сред на жидкой основе (преимущественно при условии их прокачки через бак в направлении снизу вверх) и сыпучих материалов (подаваемых в бак и выводимых из бака самотеком в направлении сверху вниз).

Восемнадцатое, дополнительное к семнадцатому отличие состоит в том, что указанные плоские кольца, из которых состоит средняя группа короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов, частично расположены в осевых зазорах между указанными плоскими кольцами, из которых состоят крайние группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов. Это наиболее целесообразно при обработке текучих сред в виде сыпучих материалов.

Специалисту понятно, что при выборе конкретных вариантов осуществления изобретения возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом и что описанные» ниже предпочтительные примеры его воплощения никоим образом не ограничивают объема прав.

Краткое описание чертежей

Далее сущность изобретения поясняется подробным описанием различных вариантов конструкции индукционного нагревателя и процессов обработки текучих сред со ссылками на прилагаемые чертежи, где изображены на

фиг.1 - индукционный нагреватель с односекционной однофазной индукционной обмоткой и вертикальным баком и короткозамкнутыми нагревательными элементами в виде открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые связаны с нижней торцовой стенкой бака упругими опорами (схематический продольный разрез);

фиг.2 - аналогичный показанному на фиг.1 индукционный нагреватель с вертикальным баком, в котором осесимметричные оболочки поочередно связаны упругими опорами с верхней и нижней торцовыми стенками бака (схематический продольный разрез);

фиг.3 - индукционный нагреватель с односекционной однофазной индукционной обмоткой и вертикальным баком, в котором осесимметричные оболочки свободно охватывают одна другую, размещены в один ярус по высоте и опираются на три подставки, установленные на нижней торцовой стенке бака (схематический продольный разрез);

фиг.4 - поперечное сечение по А-А нагревателя, показанного на фиг.3;

фиг.5 - аналогичный показанному на фиг.3 индукционный нагреватель с вертикальным баком, в котором осесимметричные оболочки размещены в несколько ярусов по высоте, в каждом ярусе свободно охватывают одна другую и опираются на подставки, установленные на нижней торцовой стенке бака для нижнего яруса и на внутренней и/или внешней стенке бака для остальных ярусов (схематический продольный разрез);

фиг.6 - аналогичный показанному на фиг.3 индукционный нагреватель с вертикальным баком и осесимметричными оболочками различной (возрастающей по мере удаления от индукционной обмотки) толщины (схематический продольный разрез);

фиг.7 - аналогичный показанному на фиг.3 индукционный нагреватель с вертикальным баком и дополнительными источниками магнитного поля в виде постоянных магнитов (схематический продольный разрез);

фиг.8 - аналогичный показанному на фиг.3 индукционный нагреватель с вертикальным баком и дополнительными источниками магнитного поля в виде дополнительных обмоток, подключаемых к источнику постоянного тока (схематический продольный разрез);

фиг.9 - трехфазный индукционный нагреватель с тремя односекционными индукционными обмотками, тремя проточными вертикальными баками и короткозамкнутыми нагревательными элементами в виде открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые установлены внутри баков на подставках (схематический продольный разрез);

фиг.10 - то же, что на фиг.9, с дополнительными постоянными магнитами;

фиг.11 - трехфазный индукционный нагреватель с общим проточным вертикальным баком и короткозамкнутыми нагревательными элементами в виде открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые установлены внутри бака на жестких подставках коаксиально отдельным индукционным обмоткам (схематический продольный разрез);

фиг.12 - индукционный нагреватель с двухсекционной однофазной индукционной обмоткой, горизонтальным проточным баком, который размещен в зазоре между указанными секциями указанной обмотки и горизонтальными короткозамкнутыми электропроводными нагревательными элементами в виде плоских колец, которые охватывают вертикальный стержень магнитопровода (схематический продольный разрез);

фиг.13 - электрическая схема подключения двух секций однофазной индукционной обмотки с фиг.12 к источнику переменного тока;

фиг.14 - индукционный нагреватель с односекционной однофазной индукционной обмоткой, горизонтальным проточным баком, охватывающим верхний стержень вертикально расположенного магнитопровода, вертикальными короткозамкнутыми электропроводными нагревательными элементами в виде плоских колец и дополнительными источниками магнитного поля в виде постоянных магнитов (схематический продольный разрез);

фиг.15 - трехфазный индукционный нагреватель с горизонтальным магнитопроводом, общим проточным баком и вертикально расположенными короткозамкнутыми электропроводными нагревательными элементами в виде плоских колец;

фиг.16 - поперечное сечение нагревателя, показанного на фиг.15.

Наилучшие варианты реализации изобретательского замысла

Индукционный нагреватель согласно изобретению в любом варианте конструктивного выполнения (см. чертежи, в особенности фиг.1, 3, 5, 9, 12, 14 и 15) содержит

магнитопровод 1, обычно изготовленный из шихтованной электротехнической стали (для работы преимущественно на промышленной частоте 50 или 60 Гц) или из подходящего феррита (для работы на высоких частотах, превышающих 1 кГц) и включающий по меньшей мере два не обозначенных особо стержня и два также не обозначенных особо соединительных ярма;

как правило, многовитковую по меньшей мере односекционную индукционную обмотку 2, которая расположена на выбранном стержне магнитопровода 1 и снабжена по меньшей мере одним средством подключения к внешнему источнику переменного тока;

бак 3, который изготовлен из электропроводящего материала, например нержавеющей стали, или диэлектрического материала, например термостойкой пластмассы типа поликарбоната или тефлона, и имеет не обозначенные особо

по меньшей мере одну внутреннюю стенку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода 1 (обычно вместе с индукционной обмоткой 2),

по меньшей мере одну внешнюю стенку, которая расположена с зазором относительно внутренней стенки,

торцовые стенки, которые плотно перекрывают зазор между указанными внутренней и внешней стенками, и

как правило, два средства, например два патрубка или коллектора для подачи текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды, которые на чертежах обозначены надписями «Вход» и «Выход» (специалисту понятно, что по меньшей мере один из таких патрубков или коллекторов оснащен не показанным подходящим запорно-регулирующим элементом типа крана или вентиля для регулирования расхода текучей среды и/или для запирания бака 3 на время, достаточное для обработки выбранной порции текучей среды);

по меньшей мере один короткозамкнутый нагревательный элемент 4, изготовленный из электропроводного (магнитного или немагнитного) материала, и

по меньшей мере одну опору 5 для размещения указанных элементов 4 внутри бака 3 с возможностью механических вибраций под действием знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки 2.

Конкретные варианты конструкции индукционных нагревателей согласно изобретению могут быть весьма разнообразны.

В простейшем случае (см. фиг.1) замкнутый магнитопровод 1 имеет два практически вертикальных стержня и два практически горизонтальных ярма. Односекционная обмотка 2 плотно охватывает один из стержней магнитопровода 1 и снабжена произвольным доступным средством подключения к внешнему источнику переменного тока. Бак 3 имеет коаксиальные предпочтительно цилиндрические внешнюю и внутреннюю стенки, по меньшей мере один вход и меньшей мере один выход в виде сквозных отверстий в торцовых стенках и оснащен, как правило, несколькими короткозамкнутыми нагревательными элементами 4, каждый из которых выполнен в виде открытой с торцов осесимметричной оболочки. Эти (предпочтительно цилиндрические) оболочки коаксиально с кольцевыми зазорами свободно охватывают одна другую и, для обеспечения возможности механической вибрации, соединены по меньшей мере с одной из стенок бака 3 проницаемыми для текучей среды упругими опорами 5.

В нагревателе согласно фиг.1 все указанные оболочечные короткозамкнутые нагревательные элементы 4 присоединены упругими опорами 5 к нижней торцовой стенке бака 3, а в нагревателе согласно фиг.2 такие элементы 4 поочередно присоединены упругими опорами 5 к противоположным торцовым стенкам бака 3.

Независимо от порядка присоединения указанных элементов 4 к стенкам бака 3 желательно, чтобы собственная частота f₀ колебаний каждой пары «короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент 4 в виде осесимметричной оболочки - упругая опора 5» удовлетворял соотношению

f_o=(0,5-2,0)·2f_c,

где f_c - рабочая частота источника переменного тока, используемого для питания индукционной обмотки 2.

Оболочечные нагревательные элементы 4 могут быть установлены в баках 3 в один ярус (фиг.3) или несколько ярусов (фиг.5) на опорах 5 в виде жестких подставок.

Такие опоры 5 могут иметь вид не показанных особо на чертежах колец со сквозными радиальными отверстиями для пропускания текучей среды и кольцевыми пазами на опорной поверхности для свободного размещения торцов указанных элементов 4.

Однако предпочтительно изготовлять жесткие опоры 5 в виде по меньшей мере двух (а предпочтительно не менее трех) отдельных деталей, которые со стороны опорной поверхности имеют хорошо видные на фиг.3, 4 и 5 пазы для свободного размещения торцов оболочечных нагревательных элементов 4. Это облегчает пропуск обрабатываемой текучей среды в зазоры между стенками бака 3 и/или указанными элементами 4.

Естественно, что жесткие опоры 5 в виде отдельных деталей должны быть

установлены на практически равных угловых расстояниях одна от другой (как это показано, в частности, на фиг.4) и

прикреплены либо к нижней торцовой стенке бака, если указанные элементы 4 размещены лишь в один ярус (фиг.3) или относятся к нижнему ярусу (фиг.5), либо к внешней стенке и/или внутренней стенке бака 3 (фиг.5) с осевым зазором относительно осесимметричных оболочек предшествующего яруса, если предусмотрено по меньшей мере два яруса оболочечных нагревательных элементов 4.

При использовании нескольких оболочечных нагревательных элементов 4, коаксиально расположенных на разных расстояниях от индукционной обмотки 2, целесообразно, чтобы такие элементы 4

либо имели различную толщину, возрастающую по мере удаления от обмотки 2, как это специально показано на фиг.6 для случаев применения материала с одинаковым удельным электрическим сопротивлением,

либо - при одинаковой толщине - были изготовлены из материалов с разным удельным электрическим сопротивлением, убывающим по мере удаления от обмотки 2.

Также целесообразно, чтобы в индукционном нагревателе были предусмотрены дополнительные источники постоянного магнитного поля. Ими могут служить

постоянные магниты 6, которые попарно закреплены снаружи бака 3 вблизи его противоположных торцовых стенок с условием, что магниты 6 в каждой паре обращены один к другому разноименными магнитными полюсами (см. фиг.7), и

токовые обмотки 7, которые попарно охватывают стержни магнитопровода 1 по разные стороны торцовых стенок бака 3 и снабжены не показанными особо средствами встречного подключения к подходящему источнику постоянного тока (фиг.8).

Высокопроизводительные индукционные нагреватели большой мощности (10 кВт и более) согласно изобретению целесообразно строить на основе магнитопроводов 1 с тремя стержнями и трехсекционных индукционных обмоток 2, каждая секция которых охватывает один стержень магнитопровода (см. фиг.9, 10, 11, 15 и 16). Такие нагреватели следует подключать к трехфазной промышленной электросети. В остальном конструкции трехфазных индукционных нагревателей могут заметно различаться.

Так, на фиг.9 показан нагреватель, имеющий магнитопровод 1 с тремя вертикальными стержнями, которые жестко связаны общим нижним ярмом и общим верхним ярмом. Этот нагреватель оснащен тремя отдельными проточными вертикальными баками 3 и короткозамкнутыми нагревательными элементами 4 в виде открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые установлены внутри баков 3 на жестких опорах (подставках) 5.

Каждый бак 3 такого нагревателя может иметь дополнительные источники постоянного магнитного поля, например, в виде постоянных магнитов 6, как показано на фиг.10.

В случаях, когда трехфазный индукционный нагреватель предназначен для обработки в трех указанных баках 3 одной и той же текучей среды, эти баки 3 могут быть подключены (см. фиг.9 и 10)

к источнику свежей текучей среды - через не обозначенные особо общий раздаточный коллектор с нижними входными патрубками, а

к потребителю обработанной текучей среды - через также не обозначенные особо верхние отводящие патрубки и через общий сборный коллектор.

Трехфазный индукционный нагреватель может иметь общий проточный вертикальный бак 3 с одной внешней и тремя внутренними стенками и с отверстиями для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды в торцовых стенках, как показано на фиг.11. Если количество таких отверстий для ввода и вывода текучей среды будет больше двух, то общий бак 3 может быть оснащен указанной выше трубопроводной обвязкой. Очевидно, что короткозамкнутые нагревательные элементы 4 в виде открытых с торцов осесимметричных оболочек должны быть установлены на жестких опорах (подставках) 5 коаксиально отдельным секциям индукционной обмотки 2 и соответствующим внутренним стенкам общего бака 3.

Особенности конструкции трехфазного индукционного нагревателя для обработки сыпучих материалов, который показан на фиг.15 и 16, будут рассмотрены далее.

А пока вернемся к описанию индукционных нагревателей для обработки текучих сред на жидкой основе. Особый вариант такого нагревателя, разработанный преимущественно для стерилизации текучих сред, имеет (см. фиг.12)

магнитопровод 1 с практически вертикальными стержнями и практически горизонтальными ярмами,

двухсекционную однофазную индукционную обмотку 2, секции которой 2а и 2b охватывают один из стержней магнитопровода 1 и расположены с осевым зазором,

практически горизонтальный проточный бак, который размещен в осевом зазоре между секциями 2а и 2b указанной обмотки 2 и имеет в диаметрально противоположных частях своей внешней стенки отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды,

практически горизонтальные короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы 4, которые выполнены в виде предпочтительно по меньшей мере двух или более плоских колец, установлены внутри бака 3 и коаксиально охватывают часть вертикального стержня магнитопровода 1, свободную от секций указанной обмотки 2, и

опоры 5, которые выполнены в виде проницаемых для текучей среды обойм, попарно прикреплены к внутренней и внешней стенкам бака 3 параллельно торцам указанных секций 2а и 2b и предназначены для установки с возможностью вибраций указанных кольцевых элементов 4.

Средство для подключения указанных секций 2а и 2b указанной обмотки 2 к источнику переменного тока имеет (см. фиг.13) один общий для обеих секций вход 8 и два выхода через полупроводниковые диоды 9 с противоположной полярностью.

Плоские кольцевые короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы 4 могут быть использованы в других, разных по конструкции индукционных нагревателях, предназначенных преимущественно для обработки сыпучих материалов Их общим признаком служит практически горизонтальное расположение стержней магнитопровода 1.

Простейший индукционный нагреватель такого типа показан на фиг.14. Он имеет магнитопровод, включающий верхний и нижний горизонтальные стержни и вертикально расположенные «левое» ярмо и «правое» ярмо, односекционную однофазную индукционную обмотку 2 и горизонтальный проточный бак 3, которые охватывают один горизонтальный (в частности, верхний) стержень магнитопровода 1. Отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях внешней стенки бака 3.

По меньшей мере два плоских кольцевых нагревательных элемента 4 свободно установлены в баке 3 в ряд вдоль стержня магнитопровода 1 на опоре 5 в виде цилиндрической втулки (а предпочтительно - в виде сектора такой втулки) с не обозначенными особо вертикальными пазами, глубина которых превышает максимально возможную амплитуду механических колебаний элементов 4 под действием знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки 2.

Для усиления действия этого поля нагреватель может быть оснащен дополнительными источниками магнитного поля предпочтительно в виде по меньшей мере двух постоянных магнитов 6. Эти магниты 6 могут быть расположены так, как показано на фиг 14, то есть в зазоре между внешней стенкой бака 3 и указанным стержнем магнитопровода 1 при условии, что их одноименные полюса обращены в одну сторону. Однако не исключено и такое расположение постоянных магнитов 6, как это было выше описано со ссылкой на фиг.7, то есть попарно снаружи бака 3 вблизи его противоположных торцовых стенок с условием, что магниты 6 в каждой паре обращены один к другому разноименными магнитными полюсами.

На фиг.15 показан трехфазный индукционный нагреватель, который имеет

горизонтально расположенный магнитопровод 1 с тремя стержнями, которые жестко связаны общим «передним» ярмом и общим «задним» ярмом,

трехсекционную индукционную обмотку 2, каждая секция которой охватывает один стержень указанного магнитопровода 1 и, во время работы нагревателя, подключена к одной из фаз трехфазной промышленной сети переменного тока,

проточный бак 3, который имеет одну общую» внешнюю стенку, охватывающую все секции индукционной обмотки 2, и три отдельные внутренние стенки, каждая из которых охватывает одну секцию индукционной обмотки 2, и

три группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов 4, каждый из которых выполнен в виде плоского кольца, при этом в каждой группе указанные кольцевые элементы 4 установлены с осевыми зазорами и все вместе охватывают соответствующую внутреннюю стенку указанного бака 3, а

отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях указанной общей внешней стенки бака 3.

Каждая указанная группа включает по меньшей мере два плоских кольцевых нагревательных элемента 4, которые установлены в баке 3 в ряд вдоль соответствующего стержня магнитопровода 1 на собственной опоре 5 в виде цилиндрической втулки (а предпочтительно - в виде сектора такой втулки) с не обозначенными особо вертикальными пазами, глубина которых превышает максимально возможную амплитуду механических колебаний элементов 4 под действием знакопеременного электромагнитного поля соответствующей секции индукционной обмотки 2. Такие опоры 5 обеспечивают возможность свободных колебаний кольцевых нагревательных элементов 4 по меньшей мере в вертикальном направлении.

Желательно, чтобы плоские кольца, из которых состоит средняя группа короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов 4, были частично расположены в осевых зазорах между плоскими кольцами, из которых состоят крайние группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов 4, как это показано на фиг.16. Это позволяет сократить габариты нагревателя.

Независимо от конкретной конструкции в любом работающем индукционном нагревателе согласно изобретению происходят следующие процессы:

каждая индукционная обмотка 2 генерирует знакопеременное электромагнитное поле с объемной плотностью мощности электромагнитной энергии, которая определяется общей потребляемой мощностью и рабочим объемом бака 3,

деформации электронных оболочек в атомах, из которых состоят обрабатываемые текучие среды, в указанном электромагнитном поле (что обычно отражается на реакционной способности и физико-химических свойствах компонентов указанных сред),

передаваемые в обрабатываемую текучую среду механические вибрации короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов 4 в такт с колебаниями знакопеременного электромагнитного поля, интенсивность которых зависит от активной мощности, потребляемой индукционной обмоткой 2, и вязкости текучей среды,

нагрев указанных короткозамкнутых элементов 4 вихревыми токами и

практически равномерный нагрев и также равномерная термомеханохимическая обработка текучей среды вследствие энергообмена (в особенности, теплообмена) и массо-переноса в объеме обрабатываемой текучей среды, «которые интенсивно происходят даже тогда, когда бак(и) 3 изготовлен(ы) из диэлектрика и оснащен(ы) всего одним короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом 4.

Источники магнитного поля в виде постоянных магнитов 6 или токовых обмоток 7 служат дополнительными (соответственно пассивными или активными) регуляторами указанных процессов.

Способ обработки текучих сред в индукционном нагревателе согласно изобретению в общем виде предусматривает следующие операции:

1) при обработке в периодическом режиме

1.1) подачу порции свежей текучей среды в полость бака 3 до уровня не ниже верхней кромки короткозамкнутых нагревательных элементов 4,

1.2) перекрытие по меньшей мере нижнего входа в бак 3 (если обработка, например сушка песка или древесных опилок, может быть проведена в контакте с атмосферой) или входа и выхода (если обработка, например стерилизация воды, должна быть проведена при условии изоляции от атмосферы),

1.3) собственно обработку (при совокупном действии электромагнитного поля, тепла и механических вибраций, дополняемых, по желанию, действием постоянного магнитного поля) при параметрах (которые легко могут быть подобраны эмпирически в ходе пробных экспериментов) в течение времени, достаточного для наступления желаемого эффекта (например, преобразования солей жесткости в нерастворимый легко осаждаемый шлам, гибели микроорганизмов, диспергирования твердых и/или жидких примесей до частиц требуемого размера и т.д.), и

1.4) удаление обработанной текучей среды из бака 3 для потребления, хранения или дальнейшей переработки;

2) при обработке в непрерывном режиме

2.1) подбор путем пробных экспериментов с выбранной текучей средой таких параметров, как температура ее нагрева, рабочая частота индукционной обмотки 2 (и соответственно частота механических вибраций короткозамкнутых нагревательных элементов 4), скорости прокачки (расход) обрабатываемой текучей среды через бак 3 и, в отдельных случаях, объемной плотности мощности в баке 3, и

2.2) собственно прокачка (или пересыпание) обрабатываемой текучей среды через бак 3 с заданной скоростью при установленных физических параметрах.

Для экспериментов по описанной комплексной обработке текучих сред был изготовлен проточный индукционный нагреватель, который имел

магнитопровод 1 с вертикально расположенными стержнями, изготовленный из пластин электротехнической стали марки Э330 толщиной 0,35 мм,

однофазную многовитковую индукционную обмотку 2 мощностью 4,6 кВт, рассчитанную на питание от промышленной сети с максимальным током 21 А при cosϕ=0,95,

бак 3 рабочим объемом 3,0 л и шесть короткозамкнутых нагревательных элементов 4 в виде коаксиальных трубчатых цилиндрических оболочек, которые были изготовлены из нержавеющей стали.

К.п.д. такого нагревателя был равен 0,93.

Пример 1. Обработка шахтной воды.

Пробу мутноватой шахтной воды объемом 20 л, которая имела характерную для солей железа окраску и исходную минерализацию 4,6 г/л, после химического анализа прокачивали сквозь описанный выше экспериментальный индукционный нагреватель с расходом 9 л/мин в течение 10 мин при температуре внутри бака 3 в интервале 80-85°С.

Обработанную воду центрифугировали в течение 5 мин для отделения тонкодисперсного шлама при 6500 об/мин.

Прозрачную бесцветную жидкость повторно подвергли химическому анализу. Результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОБРАБОТКИ ШАХТНЫХ ВОД
Данные	Показатели (для концентрации - мг/л)
pH	SO4 -2	Fe	Si	Ni	Co	Cl	Na	Ca
Исходные	3,8	3800	400	15	0,6	0,3	20	135	229
Конечные	7,7	2200	15	5,3	<0,005	<0,005	4	35	42

Как видно из таблицы 1, способ согласно изобретению обеспечивает эффективную высокопроизводительную деминерализацию жесткой воды и потому может служить основой промышленных технологических процессов добычи минерального сырья из нетрадиционных источников.

Пример 2. Обработка воды, зараженной патогенной микрофлорой.

Дистиллированную воду инокулировали культуральной жидкостью с концентрацией биомассы патогенного микроорганизма Pseudomonas mendocina P-13 5 г/л с последующим разведением до концентрации 10⁵ клеток/мл.

Полученную клеточную суспензию обрабатывали в описанном выше индукционном нагревателе в периодическом режиме в объеме около 2,5 л в каждой пробе.

После обработки проводили посев на питательной среде типа МПА. Появление колоний контролировали по яркой окраске. Условия и результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Таблица 2
ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕРИЛИЗАЦИИ
Тип опыта	Номер пробы	Экспозиция, мин	Температура, °С	Рост колоний
Контроль	1	нет	20	явный
Нагрев с вибрацией в электромагнитном поле	2	4,1	30	слабый
	3	4,1	58	нет
	4	4,1	80	нет
	5	1,7	30	заметный
6	1,7	58	нет

Как видно из таблицы 2, способ согласно изобретению обеспечивает эффективную высокопроизводительную стерилизацию воды при весьма низких рабочих температурах и потому может служить основой промышленных технологических процессов обеззараживания питьевой воды и пастеризации или стерилизации текучих пищевых продуктов.

Промышленная применимость

Совмещение нагрева, воздействия электромагнитного поля и механической вибрации в индукционных нагревателях обеспечивает чрезвычайно широкие возможности обработки произвольных неоднородных текучих сред для изменения их физических и/или химических свойств и химического состава.

Индукционные нагреватели для такой обработки можно серийно изготовлять на имеющихся машиностроительных заводах с использованием общедоступных материалов.

1. Способ обработки текучих сред, включающий подачу порции или потока текучей среды в индукционный нагреватель, который имеет бак, оснащенный по меньшей мере одним средством ввода-вывода текучей среды и расположенным внутри по меньшей мере одним короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом, нагрев этой среды на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки указанного нагревателя, и вывод обработанной текучей среды, отличающийся тем, что текучую среду подают в индукционный нагреватель, в котором по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент установлен в баке с возможностью механической вибрации в знакопеременном электромагнитном поле, и нагревают выбранную текучую среду на фоне воздействия знакопеременного электромагнитного поля с одновременным наложением механических вибраций с частотой, которая соответствует частоте колебаний электромагнитного поля индукционной обмотки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что его проводят в непрерывном режиме в индукционном нагревателе с проточным баком, который оснащен по меньшей мере одним отверстием для подачи текучей среды на обработку вдоль теплопередающих поверхностей короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов и по меньшей мере одним отверстием для вывода обработанной текучей среды.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что его проводят в непрерывном режиме в индукционном нагревателе с проточным баком, который оснащен сверху по меньшей мере одним отверстием для подачи текучей среды на обработку вдоль теплопередающих поверхностей короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов и снизу по меньшей мере одним отверстием для вывода обработанной текучей среды.

4. Индукционный нагреватель для обработки текучих сред, имеющий: (а) замкнутый магнитопровод, включающий по меньшей мере два стержня и два соединительных ярма; (б) по меньшей мере односекционную индукционную обмотку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода и снабжена средством для подключения к источнику переменного тока; (в) бак, который имеет по меньшей мере одну внутреннюю стенку, которая охватывает выбранный стержень магнитопровода, по меньшей мере одну внешнюю стенку, которая расположена с зазором относительно внутренней стенки, и торцовые стенки, которые плотно перекрывают зазор между указанными внутренней и внешней стенками, по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент, размещенный в полости бака и связанный, во время работы нагревателя, электромагнитным полем с по меньшей мере одной индукционной обмоткой; и по меньшей мере одно средство для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды, отличающийся тем, что по меньшей мере один короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент установлен внутри бака с возможностью механической вибрации под действием знакопеременного электромагнитного поля индукционной обмотки.

5. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что каждый указанный короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент выполнен в виде открытой с торцов осесимметричной оболочки.

6. Нагреватель по п.5, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере два короткозамкнутых электропроводных нагревательных элемента в виде свободно охватывающих одна другую открытых с торцов осесимметричных оболочек.

7. Нагреватель по п.5, отличающийся тем, что каждая указанная осесимметричная оболочка соединена с одной из стенок бака проницаемыми для текучей среды упругими опорами.

8. Нагреватель по п.7, отличающийся тем, что указанные свободно охватывающие одна другую осесимметричные оболочки поочередно присоединены указанными упругими опорами к противоположным торцевым стенкам бака.

9. Нагреватель по п.7 или 8, отличающийся тем, что собственная частота f_o колебаний каждой пары «короткозамкнутый электропроводный нагревательный элемент в виде осесимметричной оболочки - упругая опора» удовлетворяет соотношению

fo=(0,5-2,0)·2fc,

где fc - рабочая частота источника переменного тока, используемого для питания индукционной обмотки.

10. Нагреватель по п.5, отличающийся тем, что в полости бака установлена по меньшей мере одна опора в виде жесткой проницаемой для обрабатываемой текучей среды подставки, которая имеет один паз для свободного размещения торцовой части по меньшей мере одной указанной осесимметричной оболочки.

11. Нагреватель по п. 10, отличающийся тем, что он имеет по меньшей мере две расположенные на разной высоте указанные подставки и равное количеству подставок количество ярусов указанных осесимметричных оболочек, при этом подставки нижнего яруса установлены на нижней торцовой стенке бака, а подставки каждого последующего яруса прикреплены к внутренней или внешней стенке бака и установлены с осевым зазором относительно осесимметричных оболочек предшествующего яруса.

12. Нагреватель по п.6 или 11, отличающийся тем, что указанные осесимметричные оболочки изготовлены из одинакового по удельному электрическому сопротивлению материала и имеют разную возрастающую по мере удаления от индукционной обмотки толщину.

13. Нагреватель по п.6 или 11, отличающийся тем, что указанные осесимметричные оболочки изготовлены из материалов с разным убывающим по мере удаления от индукционной обмотки удельным электрическим сопротивлением.

14. Нагреватель по п.4 или 5, отличающийся тем, что он оснащен такими дополнительными источниками постоянного магнитного поля, которые выбраны из группы, состоящей из постоянных магнитов, которые попарно закреплены вблизи противоположных торцовых стенок бака с условием, что магниты в каждой паре обращены один к другому разноименными магнитными полюсами, и токовых обмоток, которые попарно охватывают стержни магнитопровода по разные стороны торцовых стенок бака и снабжены средствами встречного подключения к источнику постоянного тока.

15. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что он имеет магнитопровод с тремя вертикальными стержнями, которые жестко связаны общим нижним ярмом и общим верхним ярмом, трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода, и три отдельных проточных бака, каждый из которых охватывает одну из секций индукционной обмотки и оснащен внутри по меньшей мере одним таким короткозамкнутым электропроводным нагревательным элементом, который выполнен в виде открытой с торцов осесимметричной оболочки, охватывающей внутреннюю стенку бака и соответствующую секцию индукционной обмотки.

16. Нагреватель по п. 15, отличающийся тем, что он имеет общий раздаточный коллектор с нижними входными патрубками для подачи в указанные баки свежей текучей среды на обработку и общий сборный коллектор для отвода обработанной текучей среды из баков через верхние отводящие патрубки.

17. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что он имеет магнитопровод с тремя вертикальными стержнями, которые жестко связаны общим нижним ярмом и общим верхним ярмом, трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода, один проточный бак, который имеет одну общую внешнюю стенку, охватывающую все секции индукционной обмотки, три отдельные внутренние стенки, каждая из которых охватывает одну секцию индукционной обмотки, и короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы в виде по меньшей мере трех открытых с торцов осесимметричных оболочек, которые установлены по меньшей мере в один ярус на проницаемых для текучей среды упругих опорах или жестких подставках коаксиально соответствующим внутренним стенкам указанного бака, а отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены соответственно в торцовых стенках указанного бака.

18. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что он имеет двухсекционную однофазную индукционную обмотку, секции которой установлены с осевым зазором вокруг одного вертикального стержня магнитопровода, в средстве для подключения указанных секций к источнику переменного тока предусмотрены один общий для обеих секций вход и два выхода через полупроводниковые диоды с различной полярностью отдельно для каждой секции, бак размещен в указанном осевом зазоре между торцами указанных секций, к внутренней и внешней стенкам бака практически параллельно торцам указанных секций по меньшей мере в два яруса прикреплены опорные обоймы, проницаемые для текучей среды, короткозамкнутые электропроводные нагревательные элементы выполнены в виде по меньшей мере двух плоских колец, которые практически горизонтально установлены в указанных обоймах с возможностью вибраций, а отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных частях внешней стенки бака.

19. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что он имеет магнитопровод, имеющий верхний и нижний горизонтальные стержни и вертикально расположенные «левое» ярмо и «правое» ярмо, однофазную индукционную обмотку и проточный горизонтальный бак, которые охватывают один горизонтальный стержень указанного магнитопровода, и по меньшей мере два короткозамкнутых электропроводных нагревательных элемента в виде плоских колец, которые вертикально расположены внутри бака, при этом отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях внешней стенки бака.

20. Нагреватель по п.19, отличающийся тем, что он оснащен дополнительными источниками магнитного поля в виде по меньшей мере двух постоянных магнитов, которые установлены в зазоре между внешней стенкой бака и соответствующим горизонтальным стержнем магнитопровода.

21. Нагреватель по п.4, отличающийся тем, что он имеет горизонтально расположенный магнитопровод с тремя стержнями, которые жестко связаны общим «передним» ярмом и общим «задним» ярмом, трехсекционную индукционную обмотку, каждая секция которой охватывает один стержень магнитопровода, проточный бак, который имеет одну общую внешнюю стенку, охватывающую все секции индукционной обмотки, и три отдельные внутренние стенки, каждая из которых охватывает одну секцию индукционной обмотки, и три группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов, каждый из которых выполнен в виде плоского кольца, при этом каждая группа содержит по меньшей мере два указанные кольцевых элемента, которые установлены с осевыми зазорами с возможностью свободных колебаний по меньшей мере в вертикальном направлении и все вместе охватывают соответствующую внутреннюю стенку указанного бака, а отверстия для ввода текучей среды на обработку и вывода обработанной текучей среды выполнены в диаметрально противоположных верхней и нижней частях указанной общей внешней стенки бака.

22. Нагреватель по п.21, отличающийся тем, что плоские кольца, из которых состоит средняя группа короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов, частично расположены в осевых зазорах между плоскими кольцами, из которых состоят крайние группы короткозамкнутых электропроводных нагревательных элементов