Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей

Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей относится к электротехнике и электроэнергетике и может быть использован преимущественно в системах отопления и горячего водоснабжения помещений жилых домов, ангаров, гаражей, животноводческих и птицеводческих ферм, производственных цехов, а также для подогрева нефти и нефтепродуктов.

Известен индукционный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей, содержащий изготовленные из тонколистовой стали цилиндрический корпус с крышкой и днищем, патрубок подвода нагреваемой жидкости, четыре кольца с прорезями, электроизолированную электрическую катушку, являющуюся индуктором, смонтированную на кольце с прорезями, центральную трубу отвода жидкости, два цилиндра. Патрубок подвода и труба отвода нагреваемой жидкости установлены вдоль одной оси. Верхняя часть электрической катушки, герметично запрессованной связующим диэлектрическим материалом, соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с первым кольцом. Два цилиндра установлены коаксиально с образованием сообщающихся кольцевых полостей для циркуляции нагреваемой жидкости. При этом сообщающиеся кольцевые полости сформированы между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и первым цилиндром, установленным с наружной стороны электрической катушки, между электрической катушкой и первым цилиндром, между электрической катушкой и вторым цилиндром, установленным между электрической катушкой и центральной трубой отвода жидкости, а также между вторым цилиндром и центральной трубой отвода жидкости. Второе кольцо смонтировано над патрубком подвода нагреваемой жидкости и служит упором для первого цилиндра. Третье кольцо смонтировано в нижней части второго цилиндра и служит упором для центральной трубы отвода жидкости. Четвертое кольцо, выполненное из двух частей, смонтировано под крышкой устройства и служит для ограничения верхних частей первого и второго цилиндров (патент RU 2423802, МПК Н05В 6/10 (2006.01)).

Описанный индукционный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей имеет следующие недостатки:

- ограниченную сферу применения - преимущественно для жидкостей, обладающих заметной электропроводимостью, так как в кольцевой полости жидкость движется в направлении снизу вверх, при этом, пересекая силовые линии электромагнитного поля, она нагревается;

- повышенные расход электроэнергии, эксплуатационные расходы на прокачку жидкости, связанные с повышенным гидравлическим сопротивлением протеканию жидкости при многократных резких поворотах, эксплуатационные расходы, связанные с трудностью разборки нагревателя и очистки внутренней поверхности корпуса, цилиндров и нижних перфорированных колец от накипи и продуктов износа трубопроводов;

- повышенные материалоемкость, трудоемкость проектирования и изготовления, стоимость и пониженная эффективность нагрева из-за наличия четырех перфорированных колец и необходимости их сложного и плотного соединения во время сборки с цилиндрами и корпусом, когда такие ее элементы, как четыре перфорированные кольца, расположенные перпендикулярно направлению магнитного потока, создаваемого электрической катушкой, существенно ослабляют магнитный поток и разбивают его на непредсказуемые «ручейки». Это уменьшает намагничивание всех цилиндрических элементов и, следовательно, их нагрев;

- пониженную эффективность использования подведенной к электрической катушке электроэнергии из-за изготовления всех деталей из тонколистовой стали, что приводит к сквозному проникновению электромагнитной волны через деталь и неполному использованию энергии магнитного потока;

- повышенные потери тепла, до 1%, через стенки корпуса, его днище и крышку, так как электрическая катушка намагничивает днище, крышку и стенки корпуса и нагревает их. Кроме того, стенки корпуса, его днище и крышка в оборотной системе отопления нагреваются и теплом входной воды.

Известен индукционный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей, содержащий цилиндрический корпус с крышкой и днищем, патрубок подвода нагреваемой жидкости, центральную трубу отвода жидкости, электроизолированную электрическую катушку, являющуюся индуктором, смонтированную на электроизолирующей подставке и имеющую обмотку, герметично запрессованную связующим диэлектрическим материалом. Патрубок подвода нагреваемой жидкости расположен у днища. Обмотка электроизолированной электрической катушки расположена с большим зазором от крышки и днища, равным высоте подставки. На наружных поверхностях электрической катушки и центральной трубы отвода жидкости закреплены с образованием каналов винтовые ребра. Электрическая катушка и центральная труба отвода-подвода жидкости установлены с образованием сообщающихся кольцевых полостей для циркуляции нагреваемой жидкости, сформированных между внутренней поверхностью цилиндрического корпуса и электрической катушкой, а также между электрической катушкой и центральной трубой отвода жидкости (патент RU 124470, МПК Н05В 6/10 (2006.01)).

Основными недостатками индукционного коаксиального лабиринтного нагревателя жидкостей является следующее:

- ограниченная сфера использования - преимущественно для жидкостей, обладающих заметной электропроводимостью, так как поток нагреваемой жидкости через патрубок подвода нагреваемой жидкости, расположенный у днища, поступает в межреберное пространство, по которому движется в направлении снизу вверх, при этом, пересекая силовые линии электромагнитного поля, она нагревается;

- повышенные расход электроэнергии, эксплуатационные расходы на прокачку жидкости из-за повышенного гидравлического сопротивления протеканию жидкости по каналам между винтовыми ребрами, расходы при эксплуатации, связанные с трудностью извлечения электроизолированной электрической катушки с ребрами и центральной трубы отвода-подвода жидкости с ребрами при разборке устройства и для очистки внутренней поверхности корпуса и этих элементов от накипи и продуктов износа трубопроводов;

- пониженные кпд и эффективность нагрева всех элементов нагревателя индукционными вихревыми токами из-за того, что, во-первых, элементы-ребра, особенно верхнее и нижнее, ослабляют магнитный поток, создаваемый электроизолированной электрической катушкой, практически препятствуя его доступу к остальным ребрам, крышке и днищу; во-вторых, обмотка электроизолированной электрической катушки расположена с большим зазором от крышки и днища, что уменьшает их намагничивание и нагрев;

- повышенные материалоемкость, трудоемкость проектирования и изготовления и стоимость из-за наличия винтовых ребер на внешней цилиндрической поверхности электроизолированной электрической катушки и центральной трубы отвода-подвода жидкости и необходимости плотного соединения ребер во время сборки не только с названными элементами, но и с цилиндрической внутренней поверхностью корпуса и внутренней поверхностью электроизолированной электрической катушки во избежание прямого протекания жидкости через щели между ними;

- повышенные потери тепла, до 1%, через стенки корпуса, его днище и крышку, так как электрическая катушка намагничивает и нагревает их. Кроме того, в оборотной системе отопления стенки корпуса, его днище и крышка нагреваются и теплом входной воды.

Наиболее близким к предложенному изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является индукционный коаксиальный лабиринтный реверсивный нагреватель жидкостей, содержащий изготовленные из тонколистовой стали герметичный цилиндрический кожух-магнитопровод с дном и крышкой, внутреннее кольцо, смонтированное над дном и имеющее сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкости, электроизолированную электрическую катушку, являющуюся индуктором, патрубок подвода-отвода нагреваемой жидкости, центральную внутреннюю трубу отвода-подвода жидкости с отверстиями у верхнего торца для прохода нагреваемой жидкости, установленную коаксиально с корпусом. Верхняя часть центральной внутренней трубы отвода-подвода жидкости соединена с крышкой корпуса, и на ее поверхности выполнены сквозные отверстия для прохождения нагреваемой жидкости, а нижняя часть этой трубы соединена с отверстием в дне корпуса. Электроизолированная электрическая катушка снабжена обмоткой, герметично запрессованной связующим диэлектрическим материалом. Верхняя часть обмотки соединена с крышкой корпуса, а нижняя - с внутренним кольцом. Кожух-магнитопровод, электрическая катушка и центральная труба отвода-подвода жидкости установлены с образованием сообщающихся кольцевой полости между внутренней поверхностью кожуха-магнитопровода и электроизолированной электрической катушкой и кольцевой полости между электроизолированной электрической катушкой и центральной трубой отвода-подвода жидкости. Таким образом, данное устройство имеет 5 нагреваемых теплобменных цилиндрических поверхностей (патент RU 87856, МПК Н05В 6/10 (2006/01).

Вышеприведенный индукционный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей имеет следующие недостатки:

- ограниченную сферу использования - преимущественно для жидкостей, обладающих заметной электропроводимостью и малым удельным электрическим сопротивлением, так как при работе устройства поток жидкости, непрерывно пересекая силовые линии магнитного поля, подвергается нагреву;

- повышенный расход электроэнергии вследствие пониженной эффективности использования подведенной к электроизолированной электрической катушке электроэнергии из-за изготовления всех деталей из тонколистовой стали, что приводит к сквозному проникновению электромагнитной волны через деталь и неполному использованию энергии магнитного потока и, как следствие, пониженному кпд;

- повышенные расходы и трудоемкость при эксплуатации, связанные с трудностью извлечения электроизолированной электрической катушки и перфорированного кольца при разборке нагревателя и очистки внутренней поверхности корпуса, центральной внутренней трубы отвода-подвода жидкости цилиндра и перфорированного кольца от накипи и продуктов износа трубопроводов;

- повышенные потери тепла, до 1%, через стенки корпуса, его дно и крышку, так как электрическая катушка соединена с крышкой, намагничивает ее и стенки корпуса и нагревает их. Кроме того, в оборотной системе отопления стенки корпуса, его дно и крышка нагреваются и теплом входной воды;

- пониженную эффективность нагрева жидкости из-за недостаточных количества поворотов ее потока и поверхности теплообмена всех элементов нагревателя.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение сферы использования индукционного электромагнитного коаксиального лабиринтного нагревателя для нагрева широкой номенклатуры жидкостей, имеющих разное удельное электрическое сопротивление, снижение расходов на электроэнергию и эксплуатацию, повышение кпд.

Поставленная задача решается тем, что индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей, содержащий герметичный кожух-магнитопровод с дном и крышкой, патрубок подвода-отвода нагреваемой жидкости, электроизолированную электрическую катушку, центральную трубу отвода-подвода жидкости с отверстиями у верхнего торца, при этом кожух-магнитопровод, электрическая катушка и центральная труба отвода-подвода жидкости установлены с образованием сообщающихся кольцевой полости между внутренней поверхностью кожуха-магнитопровода и электроизолированной электрической катушкой и кольцевой полости между электроизолированной электрической катушкой и центральной трубой отвода-подвода жидкости, согласно изобретению снабжен сердечником магнитопровода с цилиндрической полостью и отверстиями в его стенке у нижнего торца, установленным вертикально на дне коаксиально с центральной трубой отвода-подвода жидкости и электроизолированной электрической катушкой с образованием сообщающихся кольцевой полости между сердечником магнитопровода и электроизолированной электрической катушкой и кольцевой полости между сердечником магнитопровода и центральной трубой отвода-подвода жидкости. При этом электроизолированная электрическая катушка установлена на дно, а кожух-магнитопровод выполнен отделяющимся от дна заодно с крышкой, плотно прилегающей к верхнему торцу сердечника магнитопровода.

Кроме того, ширина каждой из кольцевых сообщающихся полостей составляет 2-10 мм.

Кроме того, толщина стенки полого сердечника магнитопровода определяется из соотношения

где δ - толщина стенки полого сердечника;

Δ_0,01 - глубина проникновения электромагнитной волны в стенку сердечника, на которой в ней остается 1% энергии.

Кроме того, полый сердечник магнитопровода выполнен комбинированным из разнородных ферромагнитного материала и неферромагнитного электропроводного материала, например меди, латуни, бронзы, алюминия.

Кроме того, центральная труба отвода-подвода жидкости выполнена из неферромагнитного электропроводного материала, например меди, латуни, бронзы, алюминия.

Кроме того, толщина стенки кожуха-магнитопровода и дна определяется из соотношения

где δ - толщина стенки кожуха-магнитопровода;

Δ_0,01 - глубина проникновения электромагнитной волны, на которой в ней остается 1% энергии.

Кроме того, площадь поперечного сечения кожуха-магнитопровода определяется из соотношения

где S_кож - площадь поперечного сечения кожуха-магнитопровода;

S_cд - площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода.

Кроме того, для повышения эффективности нагрева электрическая катушка выполнена с каркасом из электропроводного материала.

Кроме того, для снижения потерь тепла до 1% нагреватель снабжен колпаком из электротеплоизолирующего материала, например пенополиуретана, асбестового полотна.

Кроме того, для снижения потерь тепла до 1% кожух-магнитопровод снабжен наружным слоем электротеплоизолирующего материала, например пенополиуретана, асбестового полотна.

Расширение сферы использования индукционного электромагнитного коаксиального лабиринтного нагревателя обусловлено тем, что он позволяет эффективно нагревать не только жидкости с малым удельным электрическим сопротивлением ρ, но и с любым большим, вплоть до дистиллированной воды, нефти и нефтепродуктов за счет улучшения ее теплообмена с увеличенным с 5 до 7 числом цилиндрических поверхностей элементов нагревателя.

Снижение расхода электроэнергии и повышение кпд при одинаковых параметрах электрических катушек в предложенном устройстве и в устройстве, выбранном в качестве прототипа, обусловлены следующим:

- установкой полого сердечника магнитопровода с оптимально толстой стенкой, поглощающей всю энергию электрической катушки, на дно коаксиально электрической катушке ЭК и центральной трубе отвода-подвода жидкости, что увеличивает количество кольцевых сообщающихся полостей с 2 до 3, длину потока в 1,5 раза, число нагреваемых цилиндрических теплообменных поверхностей с 5 до 7, их площадь и время нахождения жидкости в нагревателе;

- увеличенным с 2 до 3 количеством поворотов потока жидкости и добавлением отверстий в стенках полого сердечника магнитопровода, что способствует перемешиванию жидкости и созданию турбулентного потока;

- обеспечением плотного контакта верхнего торца сердечника с крышкой кожуха-магнитопровода, а нижнего торца - с дном, что в свою очередь обеспечивает эффективное намагничивание всех элементов магнитной цепи с наименьшими энергозатратами.

Дополнительные снижение расхода электроэнергии и повышение кпд при одинаковых параметрах электрических катушек в предложенном устройстве и в устройстве, выбранном в качестве прототипа, обусловлены следующим:

- соблюдением ширины каждой из кольцевых сообщающихся полостей в пределах 2-10 мм, обеспечивающих сквозной прогрев узкого потока жидкости. При ширине каждой из кольцевых сообщающихся полостей менее 2 мм значительно затрудняется прокачивание жидкости, особенно вязкой, а при ширине каждой из кольцевых сообщающихся полостей более 10 мм уменьшается прогрев жидкости;

- выполнением полого сердечника комбинированным из двух разнородных материалов: ферромагнитного и неферромагнитного, например меди, латуни, бронзы, алюминия, что позволяет максимально полно поглотить энергию электрической катушки и нагреть сердечник;

- выполнением толщины стенки кожуха-магнитопровода и дна в соответствии с соотношением (2), что позволяет улучшить намагничивание;

- выполнением площади поперечного сечения кожуха-магнитопровода в соответствии с соотношением (3), что позволяет улучшить намагничивание.

Снижение расходов на эксплуатацию обусловлено тем, что кожух-магнитопровод, электрическая катушка и сердечник магнитопровода установлены на дно, а кожух-магнитопровод выполнен съемным заодно с крышкой, что в свою очередь облегчает разборку и чистку нагревателя.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображен индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей, продольный разрез, и таблицей, в которой представлены зависимости проницаемости µ_i, индукции B_i и глубины Δ_0,01 от напряженности Н_е для углеродистой стали.

Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей содержит дно 1, являющееся одновременно основанием магнитопровода, сердечник 2 магнитопровода с цилиндрической полостью, электроизолированную электрическую катушку 3 на каркасе или без него, патрубок 4 подвода-отвода нагреваемой жидкости, то есть теплоносителя, внешний герметичный съемный кожух-магнитопровод 5, токоподвод 6 в виде клеммной колодки или штепсельного разъема для подвода электроэнергии, центральную трубу 7 отвода-подвода жидкости с одним или несколькими отверстиями у верхнего торца, винты 8, уплотнительную эластичную герметизирующую прокладку 9. В стенке сердечника 2 магнитопровода у нижнего торца выполнены отверстия 10 для протекания жидкости. Отверстия 10 могут быть круглыми или щелевыми. Центральная труба 7 отвода-подвода жидкости ниже дна 1 снабжена гайкой 11 с уплотнительной шайбой.

Дном 1, являющимся одновременно основанием магнитопровода, вместе со съемным кожухом-магнитопроводом 5 образована емкость для жидкости.

Сердечник 2 магнитопровода может быть выполнен из ферромагнитного материала полностью или комбинированным в сочетании с неферромагнитным электропроводным материалом, например медью, латунью, бронзой, алюминием.

Патрубок 4 подвода-отвода нагреваемой жидкости может быть присоединен к кожуху-магнитопроводу 5 под прямым или острым углом.

Винт 8 может служить для подсоединения к проводу заземления, что исключает поражение человека электрическим током при пробое изоляции электрической катушки и его случайном прикосновении к нагревателю.

Весь нагреватель может быть закрыт электротеплоизолирующим колпаком 12, например, из пенополиуретана, асбестового полотна.

Кожух-магнитопровод 5 может быть снабжен наружным слоем электротеплоизолирующего материала, например, пенополиуретана, асбестового полотна (не показан).

При трехфазном питании могут использоваться три индукционных электромагнитных коаксиальных лабиринтных нагревателя жидкостей или трехфазная обмотка электрической катушки 3.

Сердечник 2 магнитопровода установлен на дно 1 вертикально, соосно и вплотную к нему. Коаксиально сердечнику 2 магнитопровода с заданным зазором от него установлена на дно 1 электрическая катушка 3, витки которой охватывают его. При этом сердечник 2 магнитопровода входит в полость электрической катушки 3 с зазором 2-10 мм для прохода жидкости и лучшего теплообмена с ней и охлаждения электрической катушки 3 для предупреждения ее перегрева.

Электрическая катушка 3 может иметь один и более слоев из витков медного, алюминиевого или другого провода с двойной надежной электроизоляцией, например эмалевой, полихлорвиниловой, кремнийорганической, слюдяной, химически устойчивой к воздействию нагреваемой жидкости. Допустимая температура нагрева изоляции должна быть выше температуры кипения жидкости. Возможна изоляция электрической катушки 3 неэлектропроводным компаундом, например, из эпоксидной смолы. Витки электрической катушки 3 из провода диаметром до 5 мм целесообразно намотать на каркас из неэлектропроводного или электропроводного материала (не показан). Таким образом, электрическая катушка 3 может быть выполнена с каркасом из электропроводного материала, ферромагнитного или неферромагнитного. В последнем случае для изготовления каркаса возможны неферромагнитные, например, медные и алюминиевые сплавы и ферромагнитные материалы, например, низкоуглеродистые стали.

Кожух-магнитопровод 5 выполнен отделяющимся от дна 1 заодно с крышкой в виде цилиндрической обечайки с полостью, при этом крышка исполнена плотно прилегающей к верхнему торцу сердечника 2 магнитопровода. Кожух-магнитопровод 5 установлен коаксиально с электрической катушкой 3 с образованием зазора между ними для протекания жидкости и присоединен винтами 8 к дну 1 через уплотнительную эластичную герметизирующую прокладку 9. Беззазорное примыкание сердечника 2 магнитопровода к крышке кожуха-магнитопровода 5 обеспечивается при затягивании винтов 8. При этом достигается и беззазорное примыкание другого торца сердечника 2 магнитопровода к дну 1.

В полости сердечника 2 магнитопровода размещена коаксиально центральная труба 7 отвода-подвода жидкости, изготовленная из электропроводного материала, соединенная с дном 1 с помощью гайки 11 с уплотнительной шайбой или сварки. К нижнему концу трубы может быть прикреплен вентиль или кран (не показан). Центральная труба 7 отвода-подвода жидкости может быть выполнена из намагничивающегося, например, углеродистой стали или не намагничивающегося неферромагнитного материала, например меди, латуни, бронзы, алюминия. Верхний торец центральной трубы 7 отвода-подвода жидкости может соприкасаться с крышкой кожуха-магнитопровода 5 или отстоять от нее с заданным регулируемым зазором. В стенке трубы 7 у ее верхнего торца, который без зазора примыкает к кожуху-магнитопроводу 5, могут быть выполнены щелевые или круглые отверстия.

Электрическая электроизолированная катушка 3, сердечник 2 магнитопровода и центральная труба 7 отвода-подвода жидкости установлены в устройстве с образованием трех сообщающихся кольцевых полостей: первая - между внутренней поверхностью кожуха-магнитопровода 5 и наружной поверхностью электрической катушки 3; вторая - между внутренней поверхностью электрической катушки 3 и наружной поверхностью сердечника 2 магнитопровода, третья - между внутренней поверхностью сердечника 2 магнитопровода и наружной поверхностью центральной трубы 7 отвода-подвода жидкости. При этом ширина каждой из кольцевых сообщающихся полостей может составлять 2-10 мм.

Устройство дополнительно снабжено датчиком температуры (не показан).

Толщина стенки сердечника 2 магнитопровода определяется из соотношения (1).

Толщина стенки кожуха-магнитопровода 5 и дна 1 определяется из соотношения (2).

Площадь поперечного сечения кожуха-магнитопровода 5 определяется из соотношения (3).

Токоподвод 6 электрической катушки 3 может быть выполнен, например, с применением клеммной колодки с крышкой или штепсельного разъема.

Для предотвращения химического и электрохимического взаимодействия все поверхности нагревателя, соприкасающиеся с агрессивной жидкостью, могут быть изолированы слоем соответствующего материала, например цинком, оловом, пластмассой.

Дном 1, сердечником 2 магнитопровода, кожухом-магнитопроводом 5, выполненными из сплошного намагничивающегося материала, например технического железа, низко-углеродистой стали, с повышенными электропроводностью и магнитной проницаемостью µ_i, образован замкнутый магнитопровод. В сочетании с электрической катушкой 3 этими элементами образована замкнутая электромагнитная система. Поэтому этот тип индукционного нагревателя назван электромагнитным.

Устройство выполнено быстро разборным для облегчения ремонта электрической катушки 3 и очистки всех его элементов от возможного засорения продуктами износа трубопроводов системы и накипи.

Индукционный электромагнитный коаксиальный лабиринтный нагреватель жидкостей на примере его вертикального расположения в отопительной замкнутой циркуляционной системе водяного отопления работает следующим образом.

Оборотная жидкость, а именно вода, плавно поступает из системы водяного отопления через патрубок 4, особенно при расположении его под острым углом, в первую кольцевую полость шириной 2-10 мм между кожухом-магнитопроводом 5 и электрической катушкой 3. Затем жидкость поднимается и проходит через горизонтальный зазор между верхним торцом электрической катушки 3 и крышкой кожуха-магнитопровода 5 в кольцевую полость шириной 2-10 мм между сердечником 2 магнитопровода и электрической катушкой 3. После этого жидкость поступает в кольцевую полость шириной 2-10 мм между сердечником 2 магнитопровода и центральной трубой 7 через отверстия 10. Заполняя последнюю кольцевую полость до верхнего уровня центральной трубы 7 или отверстий в ней, жидкость переливается в полость трубы 7 и вытекает из нее либо задерживается в ней краном или вентилем. При этом поток жидкости движется по лабиринту из сообщающихся полостей и совершает три поворота на 180°. Возможна подача жидкости и в обратном направлении от центральной трубы 7 к патрубку 4. Поэтому нагреватель является реверсивным.

Ширина каждой из кольцевых полостей пределах от 2 до 10 мм обеспечивает скорость движения жидкости более 0,5-1,4 м/с и сквозной прогрев узкого потока жидкости.

Наличие поворотов и круглых или щелевых отверстий в сердечнике 2 и центральной трубе 7 позволяет обеспечивать турбулентное движение жидкости и перемешивание ее слоев. С увеличением скорости движения жидкости повышается турбулентность, коэффициент теплоотдачи поверхностей нагревателя, тепловой кпд нагревателя и уменьшается разность температур этих поверхностей и жидкости, составляющая 20-30°С.

После заполнения перечисленных кольцевых полостей жидкостью на электрическую катушку 3 через токоподвод 6 подается переменное электрическое напряжение U частотой f, и по ее виткам w проходит переменный электрический ток I_эк, который создает в ее полости рабочий электромагнитный поток с индукцией В_е и напряженностью Н_е, а за пределами этой полости - поток рассеяния с меньшей напряженностью Н_е. Рабочий поток Ф_раб намагничивает стенки полого сердечника 2 магнитопровода и прилегающие к нему часть дна 1 и кожуха-магнитопровода 5. При этом более слабый поток рассеяния намагничивает остальные участки дна 1 и кожуха-магнитопровода 5, в том числе его стенки. Таким образом, практически весь магнитный поток, создаваемый электрической катушкой 3 высотой h, используется рационально и практически без потерь за пределы нагревателя. Намагничивается и ферромагнитная центральная труба 7 отвода-подвода жидкости.

При намагничивании перечисленных элементов, образующих замкнутую магнитную цепь, внутренняя индукция B_i в их материале увеличивается в µ_i раз согласно формуле

где µ_i - относительная магнитная проницаемость материала элементов цепи;

В_е - индукция электромагнитного потока в воздухе;

µ₀ - магнитная постоянная;

Н_е - напряженность электромагнитного потока в воздухе;

I_эк - ток в витках электрической катушки;

w - число витков электрической катушки;

h - высота электрической катушки.

Это также повышает полезное использование подводимой энергии. Под действием этой индукции во всех электропроводных намагничивающихся элементах нагревателя возникает индукционная ЭДС U_инд

где S - площадь элемента, перпендикулярная направлению вектора индукции В_е или В_i;

f - частота изменения направления вектора индукции B_i.

В не намагничивающихся электропроводных элементах и жидкостях эта ЭДС значительно меньше и может быть оценена как

ЭДС возбуждает в этих элементах вихревые индукционные токи I_инд, направленные противоположно току ЭК. Их величину можно оценить по формуле

где R - электрическое сопротивление материала на участке прохождения этого тока.

Индукционные токи замыкаются в плоскости, перпендикулярной вектору В_i или В_е. В полом сердечнике 2 магнитопровода, центральной трубе 7, каркасе электрической катушки 3, кожухе-магнитопроводе 5 и жидкости это их кольцевая поверхность, а в крышке кожуха-магнитоповода 5 и дне 1 это плоскость толщиной δ. Так как дно 1, сердечник 2 магнитопровода, кожух-магнитопровод 5, центральная труба 7 выполнены из сплошного материала с весьма малым удельным электрическим сопротивлением, а не набраны из электроизолированных пластин, то вихревые токи достигают значительной величины.

Обычно удельное сопротивление ρ у меди 0,0178 мкОм· м, алюминия - 0,028 мкОм·м, бронзы - 0,065-0,265 мкОм·м, латуни - 0,065-0,326 мкОм·м, углеродистой стали - 0,18 мкОм·м. Вода же имеет очень большое удельное сопротивление ρ: от 0,1 кОм·м для обычной питьевой воды до 10 кОм·м для дистиллированной и 180 кОм·м для глубоко очищенной от примесей. У нефтепродуктов удельное сопротивление ρ еще больше ~0,17·10¹² Ом·м. И только у морской воды удельное сопротивление р≈0,3 Ом·м приближается к сопротивлению металлов. Легко видеть, что ρ обычной воды как минимум в 10⁹ раз превышает ρ стали. На основании формул (6) и (7) можно сделать вывод о весьма малых значениях индуцированных ЭДС и тока в обычной воде при частоте 50 Гц и напряжении до 380 В.

Под действием вихревых токов перечисленные элементы и в какой-то мере жидкость, нагреваются за время t Джоулевым теплом Q_инд согласно формуле

где I_инд - вихревые индукционные токи;

t - длительность (время) воздействия вихревых индукционных токов.

В намагничивающихся элементах еще дополнительно выделяется тепло, затрачиваемое на их перемагничивание из-за гистерезиса. Однако на преодоление гистерезиса затрачивается и подводимая энергия - до 3-5%. Поэтому следует выбирать материалы с узкой петлей гистерезиса, например никель, техническое железо, низкоуглеродистые стали. При этом можно получить экономию электроэнергии.

Весьма важное значение имеет толщина ферромагнитных стенок сердечника 2 магнитопровода, каркаса электрической катушки 3, кожуха-магнитопровода 5 и центральной трубы 7. При воздействии на них волнового электромагнитного поля, создаваемого электрической катушкой 3, его волна проникает в стенки этих элементов с каждой из двух сторон только на некоторую глубину Δ, постепенно затухая из-за поверхностного эффекта. Глубину проникновения Δ_0,01, на которой волна практически полностью затухает и в ней остается 1% энергии, можно оценить по формуле

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала вышеперечисленных элементов.

Если толщина стенки δ<2Δ_0,01, то происходит перекрытие (наложение) встречных волн, которое ухудшает энергетические параметры индукционных нагревателей, в том числе коэффициент мощности cosφ. Поэтому толщина стенки должна быть δ≥2Δ_0,01. При превышении этого соотношения увеличивается масса нагревателя, его тепловая инерция и несколько улучшается намагничивание сердечника 2 магнитопровода, который увеличивает рабочий магнитный поток Ф_раб согласно формуле

где S_cд - площадь поперечного сечения сердечника магнитопровода.

Формула (9) показывает, что глубина проникновения или толщина поверхностного слоя стенки, в котором в основном циркулируют вихревые токи, прямо пропорциональна и обратно пропорциональна

Относительная магнитная проницаемость µ_i меди, алюминия, бронзы, латуни, воды весьма близка к 1, а у ферромагнетиков она гораздо больше. Для них зависимости µ_i и В_i от напряженности Н_е магнитного поля являются нелинейными с явно выраженным максимумом. В таблице 1 приведены значения Δ_0,01 для углеродистой неотожженной стали при ρ=0,18 мкОм·м и частоте 50 и 500 Гц в зависимости от рабочей напряженности H_e магнитного поля.

При промышленной и бытовой частоте 50 Гц средняя глубина проникновения Δ_0,01 для меди - 1 см, латуни - 1,77 см, цинка - 1,75 см, алюминия - 1,2 см, никеля - 2,34 см, стали - 0,295 см (Фарбман С.А., Колобнев И.Ф. Индукционные печи для плавки металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1968. - С. 248-249). Эти данные показывают, что Δ_0,01 у латуни в 6 раз больше, чем у стали, а у никеля - в 8 раз.

Поэтому труба 7, изготовленная из неферромагнитной меди и ее сплавов, имеющих пониженное сопротивление ρ, может в некоторых случаях нагреться быстрее и до более высокой температуры, чем из стали за одинаковое время.

Из таблицы видно, что с увеличением напряженности Н_е увеличивается значение индукции B_i и глубина Δ, несмотря на существенное снижение µ_i. При увеличении же частоты в 10 раз глубина Δ уменьшается ~ в 3 раза. Обычный отжиг стали повышает µ_i с 128 до 144, а индукцию B_i с 1,61 до 1,82 Тл при Н_е=100 А/см примерно в 1,12 раза. При Н_е=400 А/см индукция B_i увеличивается с 1,77 до 2,16 Тл, a µ_i с 35,2 до 57,1 - уже в 1,22 и 1,62 раза соответственно. Отжиг в среде водорода еще более улучшает эти параметры и позволяет снижать расход электроэнергии при эксплуатации нагревателя. При проектировании нагревателя следует помнить о нелинейной зависимости µ_i и B_i от напряженности Н_е и стремиться к оптимизации параметров для создания наиболее эффективной конструкции.

При изготовлении сердечника 2 из обычных стандартных водопроводных труб из углеродистой стали одинарная глубина Δ проникновения может превышать толщину δ стенки этих труб. Поэтому для соблюдения соотношения (1) при изготовлении сердечника 2 целесообразно использовать специальные толстостенные трубы или вставлять без зазора в полость одной внешней трубы большего диаметра другую меньшего диаметра. Возможно использование одной из труб из неферромагнитного электропроводного материала, например алюминия. При этом сердечник 2 становится составным - близким к биметаллическому.

Согласно формуле (10) поток Ф_раб возрастает с увеличением кольцевой площади S_сд поперечного сечения сердечника 2 и индукции B_i. Поэтому сердечник 2 магнитопровода должен иметь стенки повышенной толщины δ>2Δ_0,01 или увеличенный наружный диаметр d_н. Однако при увеличении d_н электрическая катушка 3 становится больше, что приводит к повышенному расходу электроэнергии. Повысить индукцию можно путем использования материалов с высокой µ_i и/или увеличением магнитодвижущей силы ЭК I_экw. Первый путь предпочтительнее, т.к. снижает энергопотребление.

Степень намагничивания сердечника 2 магнитопровода должна быть возможно высокой для увеличения индукции B_i (при Н_е>400 А/см) и удельной мощности нагревателя до 1 кВ·А/кг и более. Эти показатели также увеличиваются с повышением полной мощности UI_эк нагревателя. Поскольку в сердечнике 2 магнитопровода создается весь магнитный поток, распространяющийся по другим намагничивающимся элементам - дну 1 и кожуху-магнитопроводу 5 нагревателя, то очевидно, что площадь поперечного сечения каждого из этих элементов не должна существенно превышать S_сд. При соблю