RU2736571C1

RU2736571C1 - Transformer type electric heating device

Info

Publication number: RU2736571C1
Application number: RU2020117658A
Authority: RU
Inventors: Лариса Юрьевна Вадова; Анатолий Иванович Юрченко
Priority date: 2020-05-28
Filing date: 2020-05-28
Publication date: 2020-11-18

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: electric heating device of transformer type includes closed magnetic conductor with induction primary winding and secondary multi-turn short-circuited winding. Secondary multiturn short-circuited winding is made of current-conducting arc-like elements, some branches of which are passed through the open magnetic conductor window and their ends are connected in series to the ends of adjacent branches located outside the closed magnetic conductor. Current-conducting arc-shaped elements are made of pipes. Pipes are made in tubes. Current-conducting arc-shaped elements are made of bimetallic pipes with inner layer of copper, cavities of pipes are filled with loose graphite.EFFECT: technical result consists in improvement of efficiency, reliability and reduction of dimensions.1 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехническим устройствам для нагрева газов и жидкостей и может быть использовано как в промышленности, так и в быту, например для обогрева помещения.The proposed invention relates to electrical devices for heating gases and liquids and can be used both in industry and in everyday life, for example, for heating a room.

Известно электронагревательное устройство трансформаторного типа (см., например, патент РФ на изобретение №2164644, кл. Н05В 6/10), содержащее кольцевой магнитопровод с индукционной первичной обмоткой и вторичной короткозамкнутой обмоткой, выполненной в виде двух концентрично расположенных токопроводящих труб, наружной и внутренней, концы которых соединены токопроводящими фланцами, наружным и внутренним, при этом внутренний фланец соединён с металлическим стержнем, проходящим через осевое отверстие магнитопровода.Known is an electric heating device of the transformer type (see, for example, RF patent for invention No. 2164644, class Н05В 6/10), containing an annular magnetic circuit with an induction primary winding and a secondary short-circuited winding, made in the form of two concentrically arranged conductive pipes, external and internal , the ends of which are connected by conductive flanges, outer and inner, while the inner flange is connected to a metal rod passing through the axial hole of the magnetic circuit.

Недостаток представленного электронагревательного устройства состоит в сложности его изготовления с использованием сварки.The disadvantage of the presented electric heating device is the complexity of its manufacture using welding.

Дело в том, что при изготовлении вторичной короткозамкнутой обмотки из двух концентрично расположенных труб и двух торцевых фланцев для надёжности их соединения между собой используется сварка, так как в одновитковом вторичном витке наведённая ЭДС не может быть большой и из-за образования в местах контакта (без сварки!) окислов, сульфидов и др. в результате газовой коррозии при высокой температуре возможно непрохождение тока (см., например, книгу «300 практических советов», автор Бастанов В.Г., «Московский рабочий», М.,1993 г., стр. 32). The fact is that in the manufacture of a secondary short-circuited winding from two concentrically located pipes and two end flanges, for the reliability of their connection with each other, welding is used, since in a single-turn secondary turn, the induced EMF cannot be large and due to the formation of contact points (without welding!) oxides, sulfides, etc. as a result of gas corrosion at high temperatures, current may not pass (see, for example, the book "300 practical tips", author Bastanov V.G., "Moscow worker", Moscow, 1993 , p. 32).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является электронагревательное устройство трансформаторного типа по патенту РФ на изобретение №2260927, кл. Н05В 6/10, содержащее замкнутый магнитопровод с индукционной первичной обмоткой, помещённые в электроизоляционный кожух, и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку.The closest in technical essence to the claimed utility model is a transformer-type electric heating device according to the RF patent for invention No. 2260927, class. Н05В 6/10, containing a closed magnetic circuit with an inductive primary winding, placed in an electrical insulating casing, and a secondary multi-turn short-circuited winding.

Недостаток электронагревательного устройства по прототипу состоит в громоздкости и в ограниченности области применения. Такое громоздкое устройство невозможно, например, использовать для нагрева жидкости в ёмкостях. Даже транспортировка его сопряжена с трудностями - упаковка, погрузка, выгрузка. Для получения на проводах вторичной обмотки высокой температуры их надо выполнять из материала с высокой электропроводностью, но все такие материалы являются некоррозионно-стойкими. Если же провода выполнять из коррозионно-стойкого материала, то конструкция становится неподъемной из-за большого сечения проводов, да и температура таких проводов будет невысокой. Также надо отметить, что выполнение кожуха из электроизоляционного материала пагубно влияет на теплопередачу тепла в окружающую среду с первичной обмотки, так как коэффициент теплопроводности таких материалов очень низкий (см., например, «Справочник по физике», автор А.С. Енохович, М., Просвещение, стр. 169). Для сравнения можно показать, что коэффициент теплопроводности даже для нержавеющей стали равен 17,5 Вт/м⋅К (см., например, книгу «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии», авторы Павлов К.Ф. и др., Химия, М., стр.529), что значительно выше, чем для диэлектриков. Но надо отметить, что в прототипе электроизоляционный кожух кроме защиты первичной обмотки несёт и конструкционные функции крепления в нём упоров, так что кожух в устройстве представляет собой серьёзное сооружение, так как он должен выдержать значительные механические нагрузки. И однажды выполненное электронагревательное устройство должно всю жизнь работать по первоначально обозначенному назначению и исполнению, так как всё в нём скреплено намертво - и дорогие элементы, и копеечные, изделие неразборное.The disadvantage of the electric heating device according to the prototype is cumbersome and limited scope. Such a bulky device cannot, for example, be used to heat liquid in containers. Even its transportation is fraught with difficulties - packing, loading, unloading. To obtain a high temperature on the wires of the secondary winding, they must be made of a material with high electrical conductivity, but all such materials are non-corrosive resistant. If the wires are made of corrosion-resistant material, then the structure becomes unmanageable due to the large cross-section of the wires, and the temperature of such wires will be low. It should also be noted that the implementation of the casing made of an electrically insulating material adversely affects the heat transfer to the environment from the primary winding, since the thermal conductivity of such materials is very low (see, for example, "Handbook of Physics" by A.S. Enokhovich, M. ., Education, p. 169). For comparison, it can be shown that the thermal conductivity coefficient even for stainless steel is equal to 17.5 W / m (K (see, for example, the book "Examples and Tasks for the Course of Processes and Apparatuses of Chemical Technology", authors Pavlov K.F. et al. , Chemistry, M., p. 529), which is much higher than for dielectrics. But it should be noted that in the prototype the electrical insulating casing, in addition to protecting the primary winding, also carries the structural functions of fastening the stops in it, so the casing in the device is a serious structure, since it must withstand significant mechanical loads. And once an electric heating device is made, it should work all its life according to the originally designated purpose and performance, since everything in it is fastened tightly - both expensive elements and penny, the product is not separable.

Задача предлагаемого изобретения - исключить или, по крайней мере, уменьшить недостатки прототипа.The objective of the present invention is to eliminate or at least reduce the disadvantages of the prototype.

Технический результат, заключается в создании компактного, высоконадёжного, многофункционального, разборного электронагревательного устройства. При этом эффективность и надёжность работы предлагаемого электронагревательного устройства становится выше по сравнению с прототипом.The technical result consists in creating a compact, highly reliable, multifunctional, collapsible electric heating device. At the same time, the efficiency and reliability of the proposed electric heating device becomes higher in comparison with the prototype.

Технический результат достигается тем, что в электронагревательном устройстве трансформаторного типа, содержащем замкнутый магнитопровод с индукционной первичной обмоткой и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку, вторичная многовитковая короткозамкнутая обмотка выполнена из токопроводящих дугообразных элементов, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода и их концы проводниками соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, токопроводящие дугообразные элементы выполнены из труб, в трубах выполнена перфорация, токопроводящие дугообразные элементы выполнены из биметаллических труб с внутренним слоем из меди, полости труб заполнены сыпучим графитом.The technical result is achieved by the fact that in a transformer-type electric heating device containing a closed magnetic circuit with an induction primary winding and a secondary multi-turn short-circuited winding, the secondary multi-turn short-circuited winding is made of conductive arcuate elements, some branches of which are passed through the window of the closed magnetic circuit and their ends are connected in series with the ends of adjacent branches located outside the closed magnetic circuit, the conductive arcuate elements are made of pipes, the pipes are perforated, the conductive arcuate elements are made of bimetallic pipes with an inner layer of copper, the pipe cavities are filled with free-flowing graphite.

Выполнение вторичной многовитковой короткозамкнутой обмотки из отдельных токопроводящих дугообразных элементов, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода и их концы проводниками соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, позволяет создать многовитковую обмотку на месте применения из отдельных дугообразных элементов и тем самым обеспечить и преимущества вторичного многовиткового короткозамкнутого витка, и избежать трудностей, связанных с транспортировкой габаритной неразборной многовитковой обмотки. Один и тот же замкнутый магнитопровод с первичной обмоткой может быть использован многократно в разных вариациях, а это - самые дорогие элементы нагревателя. Если электронагревательное устройство нужно передислоцировать в другое место - разобрали, перевезли и собрали на новом месте. Выполнение дугообразных элементов из труб, в частности алюминиевых, значительно уменьшает вес многовитковой обмотки. Помещение замкнутого магнитопровода с индукционной первичной обмоткой в герметичную камеру из металла нисколько не уменьшает выше перечисленные достоинства, только расширяет область применения - позволит нагревать и всевозможные жидкие среды, да и сама металлическая камера тоже будет разогреваться. The implementation of the secondary multi-turn short-circuited winding from separate conductive arcuate elements, some branches of which are passed through the window of the closed magnetic circuit and their ends are connected by conductors in series with the ends of adjacent branches located outside the closed magnetic circuit, makes it possible to create a multi-turn winding at the place of application from individual arcuate elements and thereby provide and the advantages of the secondary multi-turn short-circuited turn, and avoid the difficulties associated with the transportation of the overall non-separable multi-turn winding. One and the same closed magnetic circuit with a primary winding can be used many times in different variations, and these are the most expensive elements of the heater. If the electric heating device needs to be relocated to another location, it is disassembled, transported and assembled at a new location. The execution of arcuate elements from pipes, in particular aluminum, significantly reduces the weight of the multi-turn winding. Placing a closed magnetic circuit with an induction primary winding in a sealed metal chamber does not in any way reduce the above listed advantages, it only expands the field of application - it will allow heating all kinds of liquid media, and the metal chamber itself will also be heated.

В предложенном электронагревательном устройстве нагревательные дугообразные элементы можно располагать как вертикально, так и горизонтально, опускать на дно ёмкости, и использовать конвективную теплопередачу для повышения эффективности нагрева текучих сред. Выполнение в трубах перфорации позволяет обеспечить теплосъём и с внутренней поверхности труб. Использование биметаллических труб, выпускаемых по ГОСТ 22786-77 на трубы биметаллические бесшовные для судостроения из чёрной коррозионно-стойкой сталей с внутренним слоем из меди, позволяет значительно уменьшить весогабаритные параметры предлагаемого электронагревательного устройства. При нагреве труб их активное сопротивление увеличивается, и нагрев трубы уменьшается. Заполнение полостей труб сыпучим графитом несколько компенсирует вышеуказанное уменьшение нагрева, так как графит имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.In the proposed electric heating device, the heating arched elements can be positioned both vertically and horizontally, lowered to the bottom of the container, and convective heat transfer can be used to increase the efficiency of heating fluids. Perforation in pipes allows for heat removal from the inner surface of the pipes. The use of bimetallic pipes manufactured in accordance with GOST 22786-77 for seamless bimetallic pipes for shipbuilding from black corrosion-resistant steels with an inner layer of copper can significantly reduce the weight and dimensions of the proposed electric heating device. When pipes are heated, their active resistance increases, and pipe heating decreases. Filling the pipe cavities with free-flowing graphite somewhat compensates for the above decrease in heating, since graphite has a negative temperature coefficient of resistance.

На прилагаемых чертежах представлены два варианта предлагаемого электронагревательного устройства: на фиг. 1 - без камеры; на фиг. 2 - с камерой; на фиг. 3 - вариант соединений труб между собой; на фиг. 4 - сечение по АА на фиг. 3. The accompanying drawings show two variants of the proposed electric heating device: FIG. 1 - without a camera; in fig. 2 - with a camera; in fig. 3 - a variant of pipe connections to each other; in fig. 4 is a section along AA in FIG. 3.

Предлагаемое электронагревательное устройство трансформаторного типа содержит замкнутый магнитопровод 1 с индукционной первичной обмоткой 2 и вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку, выполненную из токопроводящих дугообразных элементов 3, одни ветви которых пропущены через окно замкнутого магнитопровода 1 и их концы проводниками 4 соединены последовательно с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода 1. Количество дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4 может быть любым - важно обеспечить суммарное напряжение на обмотке не менее 5В.The proposed electric heating device of the transformer type contains a closed magnetic circuit 1 with an induction primary winding 2 and a secondary multi-turn short-circuited winding made of conductive arcuate elements 3, some branches of which are passed through the window of a closed magnetic circuit 1 and their ends are connected in series with the ends of adjacent branches located outside closed magnetic circuit 1. The number of arcuate elements 3 and connecting conductors 4 can be any - it is important to ensure the total voltage on the winding is not less than 5V.

Герметичная камера 5 позволяет расширить область применения предлагаемого электронагревательного устройства, имеется в виду на жидкие среды. При обогреве помещений токопроводящие дугообразные элементы 3 могут быть выполнены протяжёнными многопроволочными элементами в изоляции и помещены в пластмассовые или металлические трубы (на чертежах не показано). Это удобно при получении низкотемпературного тепла. Для подсоединения к концам дугообразных элементов 3 проводников 4 можно использовать вариант подсоединения наконечников в штеккеры или вариант подсоединения наконечников на концах дугообразных элементов 3 и соединительных проводников под гайку на клеммной колодке (см., например, книгу «300 практических советов», автор В.Г. Бастанов, Московский рабочий, М., 1993 г., стр. 9,10,12,14).The sealed chamber 5 allows you to expand the scope of the proposed electric heating device, meaning to liquid media. When heating rooms, conductive arcuate elements 3 can be made with extended multi-wire elements in insulation and placed in plastic or metal pipes (not shown in the drawings). This is convenient when receiving low temperature heat. To connect conductors 4 to the ends of the arcuate elements 3, you can use the option of connecting the lugs to the plugs or the option of connecting the lugs at the ends of the arched elements 3 and connecting conductors under the nut on the terminal block (see, for example, the book "300 practical tips" by V.G. . Bastanov, Moscow worker, M., 1993, pp. 9,10,12,14).

Для нагрева жидкостей конечно предпочтителен трубный вариант выполнения дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4 для вторичной многовитковой короткозамкнутой обмотки. На фиг.3 трубы 4 имеют на концах резьбу 6 и прорези 7, гайка 8 имеет коническую резьбу 9 (см., например, книгу «Общетехнический справочник» под редакцией Е.А. Скороходова, М., Машиностроение, 1982 г., стр. 199-200).For heating liquids, the tubular embodiment of the arcuate elements 3 and the connecting conductors 4 for the secondary multi-turn short-circuited winding is of course preferred. In Fig. 3, pipes 4 have threads 6 and slots 7 at their ends, nut 8 has a tapered thread 9 (see, for example, the book "General Technical Reference" edited by E.A. Skorokhodov, M., Mechanical Engineering, 1982, p. . 199-200).

При сборке многовитковой обмотки конец соединительной трубки 3 вставляют в конец трубки 4 и начинают накручивать гайку 8 по резьбе 6 на трубе 4. При наличии прорезей 7 на конце трубы 3 и конической резьбы в гайке 8 при накручивании последней происходит надёжное обжатие конца трубки 4 прорезанными участками конца трубы 3, обеспечивающее надёжное соединение труб 3 и 4.When assembling the multi-turn winding, the end of the connecting tube 3 is inserted into the end of the tube 4 and nut 8 begins to be screwed along the thread 6 on the pipe 4. If there are slots 7 at the end of the pipe 3 and the tapered thread in the nut 8, when screwing the latter, the end of the tube 4 is reliably compressed by the cut sections pipe end 3, ensuring a reliable connection of pipes 3 and 4.

Работает устройство следующим образом. The device works as follows.

На месте применения монтируют вторичную многовитковую короткозамкнутую обмотку из дугообразных элементов 3 и соединительных проводников 4. При подаче питания на обмотку 2 по её виткам начинает проходить ток и в магнитопроводе 1 создаётся магнитный поток, который наводит на каждом дугообразном элементе ЭДС=e. При последовательном соединении концов ветвей дугообразных элементов 3, проходящих через окно магнитопровода 1, с концами соседних ветвей, расположенных снаружи замкнутого магнитопровода, на концах образовавшейся многовитковой обмотки будем иметь ЭДС'=Σe и при соединении этих концов между собой в обмотке возникает короткозамкнутый ток, разогревающий её витки и теплоноситель, контактирующий с этими витками. Так как в ветвях дугообразных элементов 3 токи протекают в противоположных направлениях, то магнитные поля в окружающем электронагревательном пространстве взаимно компенсируются.At the place of application, a secondary multiturn short-circuited winding is mounted from arcuate elements 3 and connecting conductors 4. When power is applied to winding 2, current begins to flow through its turns and a magnetic flux is created in the magnetic circuit 1, which induces EMF = e on each arc-shaped element. When the ends of the branches of the arcuate elements 3, passing through the window of the magnetic circuit 1, are connected in series with the ends of neighboring branches located outside the closed magnetic circuit, at the ends of the formed multi-turn winding we will have an EMF '= Σe and when these ends are connected to each other, a short-circuit current appears in the winding, which heats up its coils and the coolant in contact with these coils. Since currents flow in opposite directions in the branches of the arcuate elements 3, the magnetic fields in the surrounding electric heating space are mutually compensated.

Claims

An electric heating device of a transformer type containing a closed magnetic circuit with an induction primary winding and a secondary multi-turn short-circuited winding, characterized in that the secondary multi-turn short-circuited winding is made of conductive arcuate elements, some branches of which are passed through the window of the closed magnetic circuit and their ends are connected in series with conductors located outside the closed magnetic circuit, the conductive arcuate elements are made of pipes, the pipes are perforated, the conductive arcuate elements are made of bimetallic pipes with an inner layer of copper, the pipe cavities are filled with free-flowing graphite.