PL168284B1 - Urzadzenie do ogrzewania plynu PL - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do ogrzewania płynu, zasilane z sieci energetycznej.

Ze stanu techniki są znane rozmaite zasilane z sieci urządzenia do ogrzewania płynu w szczególności wody za pośrednictwem transformatora.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki nr 1458634 jest znane urządzenie zawierające zwykły rdzeń, na którym są nawinięte pierwotne i wtórne uzwojenia. Wtórne uzwojenie jest, zwarte, przez co napięcie indukowane we wtórnym uzwojeniu wytwarza przepływ prądu, który powoduje ogrzanie tego wtórnego uzwojenia. Uzwojenie wtórne ma budowę

168 284 rurową i podgrzewa przepływającą przez nie wodę. Pierwotne uzwojenie może także mieć budowę rurową. Grzejniki tego typu są znane również z opisów patentowych Stanów Zjednoczonych nr nr 4602140 i 4791262. Odmiana tej konstrukcji jest ujawniona w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 1656518. W rozwiązaniu tym płyn przeznaczony do podgrzania przepływa przez zbiornik, który w tym wypadku funkcjonuje jako zwarte uzwojenie wtórne.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 2181274 jest znane urządzenie, w którym płyn przeznaczony do podgrzania przepływa poprzez rdzeń transformatora, przy czym pierwotne i wtórne uzwojenia są nawijane koncentrycznie wokół rdzenia z tym, że wtórne uzwojenie korzystnie stanowi pojedynczy zwarty zwój.

Inne tego typu urządzeniejest przedstawione w opisie patentowym Stanów Zjednoczonych nr 1671839, w którym pierwotne i wtórne uzwojenia oraz wspólny rdzeń mogą być wydrążone, a podgrzewany płyn obiega rdzeń i ewentualnie także pierwotne i wtórne uzwojenia. Wtórne uzwojenie jest zwarte. We wszystkich opisanych wyżej urządzeniach transformator posiada rdzeń. Jak wiadomo z praktyki inżynieryjno-elektrycznej, w urządzeniach zasilanych z sieci uzyskuje się wystarczająco duży strumień magnetyczny tylko wówczas, jeśli użyty transformator posiada rdzeń. Jakkolwiek od wielu lat są znane i stosowane transformatory bezrdzeniowe ale tylko w przypadkach wysokich częstotliwości (zwykle 50 kHz, tj. około tysiąca razy większych niż częstotliwość sieciowa), ponieważ jedynie przy wysokich częstotliwościach można uzyskać wystarczająco duży strumień magnetyczny bez rdzenia.

Bezrdzeniowe transformatory mają wiele zalet w porównaniu z transformatorami rdzeniowymi. Przede wszystkim pozwalają na dużą oszczędność materiału, ponieważ nie jest potrzebny rdzeń a ponadto oszczędza się czas na jego zamontowanie. Poza tym transformator bezrdzeniowy posiada prawie liniową charakterystykę namagnesowania, w przeciwieństwie do charakterystyki transformatora rdzeniowego. Prawie liniowa charakterystyka namagnesowania oznacza, że transformator może pracować wydajnie w znacznie większym przedziale napięcia, przez co ma większe zdolności regulacyjne, to znaczy jest możliwa zmiana napięcia w dużo większym przedziale bez osiągania wielkości maksymalnej (plateau). Ponadto bezrdzeniowy transformator jest łatwiejszy do chłodzenia ponieważ nie posiada rdzenia, który hamowałby oddziaływanie chłodzące płynu, przez co jest zwiększona wydajność transformatora.

Wadą wszystkich opisanych wyżej wspomnianych urządzeń jest to, że płyn jest podgrzewany wyłącznie jedyną metodą a mianowicie poprzez przewodzenie ze zwartego uzwojenia wtórnego. Wtórne uzwojenie jest wykonane z materiału o małej rezystancji, ponieważ jest to istotne dla skutecznego przenoszenia mocy. Jednakże materiał o malej rezystancji nie stanowi najlepszego materiału na rezystancyjny element grzejny, który powinien być wykonany z materiału o dużej rezystancji.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych nr 44771191 jest znane urządzenie do podgrzewania płynu, w którym zasadniczą część stanowi bezrdzeniowy transformator a pierwotne uzwojenie otacza zbiornik, którego wnętrze jest podzielone metalowymi cylindrami, które tworzą przejścia przez które przepływa płyn przeznaczony do ogrzania. Wtórne uzwojenie jest w kształcie metalowych pierścieni lub spirali, które są umieszczone w zbiorniku, w odstępie od cylindrów. W trakcie pracy, pierwotne uzwojenie indukuje napięcie we wtórnym uzwojeniu lub uzwojeniach, które są zwojami zwartymi tak, że wytwarza się w nich ciepło w wyniku przepływu indukowanego prądu. Metalowe cylindry są także podgrzewane indukcyjnie, zaś ciepło z wtórnego uzwojenia oraz z cylindrów podgrzewa płyn przepływający poprzez zbiornik. Jednakże w urządzeniu tym ma miejsce stratność energii, ponieważ pierwotne uzwojenie znajduje na zewnątrz zbiornika, a przez to nie przyczynia się do ogrzewania płynu. Ponadto, koncentryczne ułożenie wtórnego uzwojenia i metalowych cylindrów sprawia, że przepływ strumienia magnetycznego pomiędzy pierwotnym i wtórnym uzwojeniem nie jest idealny i następuje stratność strumienia, obniżająca efektywność urządzenia. Poza tym, wtórne uzwojenie jest zwarte a nie podłączone do obciążenia, które jest ogrzewane rezystancyjnie przez wtórne napięcie, co stanowi omówioną wcześniej wadę. Wspólna wada wszystkich opisanych wyżej znanych urządzeń polega na tym, że są one zdolne do dostarczania tylko stosunkowo niewielkiej ilości gorącej wody i są drogie do zainstalowania.

168 284

Celem wynalazku jest opracowanie urządzenia do podgrzewania płynu, które będzie pozbawione przynajmniej części wad znanych urządzeń, i które może pracować z dużą wydajnością przy zasilaniu z częstotliwością sieciową. Urządzenie to powinno być przydatne do pracy ciągłej i powinno być stosunkowo niekosztowne do wykonania i zainstalowania, przy jednoczesnej możliwości skutecznej pracy przy stosunkowo dużych szybkościach przepływu.

Urządzenie do ogrzewania płynów, zasilane z sieci energetycznej i zawierające bezrdzeniowy transformator i elektrycznie przewodzącą obudowę poprzez którą przepływa płyn przeznaczony do ogrzania podczas pracy tego urządzenia, według wynalazku charakteryzuje się tym, że bezrdzeniowy transformator zawiera pierwotne uzwojenie z przewodnego elektrycznie materiału, przynajmniej częściowo otaczające obudowę ale elektrycznie od niej izolowane, wtórne uzwojenie z materiału przewodnego elektrycznie, umieszczone względem pierwotnego uzwojenia w położeniu, w którym strumień magnetyczny wytwarzany przez zmienny prąd elektryczny przepływający przez pierwotne uzwojenie obejmuje wtórne uzwojenie, przy czym to wtórne uzwojeniejest elektrycznie izolowane od pierwotnego uzwojenia, alejest elektrycznie połączone z obudową. Wtórne uzwojenie jest korzystnie utworzone z dwóch lub więcej części, z których każda jest elektrycznie podłączona do obudowy. Wtórne uzwojenie jest rurowe i jest podłączone do obudowy z możliwością przepływu ogrzewanego płynu poprzez wtórne uzwojenie przed albo po przepłynięciu poprzez obudowę dla podgrzania płynu przez ciepło transformatora.

Obudowa, pierwotne uzwojenie i wtórne uzwojenie korzystnie są koncentryczne.

Obudowa jest przynajmniej częściowo otoczona przez pierwotne uzwojenie, które jest przynajmniej częściowo otoczone przez wtórne uzwojenie.

Obudowa jest wykonana z materiału przewodnego elektrycznie, mającego dużą rezystancję, zaś pierwotne uzwojenie i wtórne uzwojenie są wykonane z materiału przewodnego elektrycznie, mającego małą rezystancję.

Obudowa ma podwójne ściany, pomiędzy którymi znajduje się podgrzewany płyn.

Pierwotne uzwojenie ma wymuszony obieg chłodzenia z zastosowaniem krążącego oleju, który obejmuje również wtórne uzwojenie, dla przenoszenia ciepła z pierwotnego uzwojenia do wtórnego uzwojenia. Wtórne uzwojenie styka się fizycznie, ale jest elektrycznie odizolowane od zewnętrznej warstwy pierwotnego uzwojenia dla chłodzenia pierwotnego uzwojenia poprzez kondukcję do wtórnego uzwojenia.

Korzystnie pierwotne i wtórne uzwojenie jest wykonane z miedzi a obudowa jest wykonana z kutego żelaza. Obudowa jest podgrzewana przez prądy wirowe indukowane przez zmienny prąd płynący w pierwotnym uzwojeniu.

Urządzenie według wynalazku daje niespodziewane i zaskakujące korzyści, ponieważ mimo tego, że ma zastosowany transformator bezrdzeniowy to jednak może pracować z dużą wydajnością w ogólnie stosowanych częstotliwościach sieciowych. Urządzenie to nadaje się do podgrzewania ciągłego strumienia płynu lub gazu z dużą wydajnością bez użycia odsłoniętych elementów grzejnych lub otwartego płomienia. Urządzenie według wynalazku jest szczególnie przydatne do podgrzewania wody na skalę komercyjną lub przemysłową, jednakże może być również stosowane do podgrzewania rozmaitych płynów.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym częściowy przekrój podłużny urządzenia według wynalazku.

Jak pokazano na rysunku, urządzenie 2 zawiera obudowę 3 o podwójnych ścianach 3 wokół której jest nawinięte pierwotne uzwojenie 4, na którym jest nawinięte wtórne uzwojenie 5. Obudowa 3 jest wykonana z metalu, korzystnie posiadającego stosunkowo wysoką rezystancję elektryczną. Obudowa nie pełni funkcji rdzenia transformatora a więc nie musi być wykonana z metalu ferromagnetycznego. Jednakże korzystne jest, jeżeli obudowa jest wykonana z metalu ferromagnetycznego ponieważ zwiększa to moc urządzenia przez zwiększenie jego magnetyzacji. Materiałem na obudowę jest kute żelazo, które spełnia wszystkie powyższe kryteria.

Obudowa zawiera zewnętrzną ścianę 6 i wewnętrzną ścianę 7, z cylindrycznym kanałem 8 pomiędzy ścianami, przez który przepływa płyn. Jeden koniec kanału 8 jest połączony za pomocą płynoszczelnej złączki 9 z wnętrzem zwiniętej rury, która tworzy wtórne uzwojenie a drugi koniec kanału 8 jest połączony z rurą wylotową 10. Przestrzeń 12 w wewnętrznej ścianie

168 284 jest wypełniona powietrzem. Ta przestrzeń może zawierać metalowy rdzeń, jednakże użycie takiego rdzenia nie zwiększyło w znacznym stopniu wydajności urządzenia.

Alternatywnie, obudowa może zawierać pojedynczą ścianę pod warunkiem aby podgrzewany płyn był dobrym przewodnikiem ciepła, albo gdy jest pożądana stosunkowo mała szybkość ogrzewania. Płyn w obudowie jest podgrzewany przez przewodzenie od ogrzewanych ścian i dlatego tylko warstwy płynu w kontakcie z tymi ścianami są podgrzewane bezpośrednio, a reszta płynu jest podgrzewana przez przewodzenie i konwekcję wewnątrz płynu. Długość i szerokość kanału 8 musi być dobrane z urządzeniem rodzaju płynu przeznaczonego do ogrzania, pożądanego wzrostu temperatury płynu i pożądanej wielkości przepływu. Pierwotne uzwojenie 4 zawiera zwoje izolowanego drutu, nawiniętego bezpośrednio na zewnątrz obudowy 3, przy czym drut jest ułożony w jednej lub więcej warstw usytuowanych w odstępie, koniecznym do pomieszczenia całej długości zwoju. Drut jest wykonany z materiału, który jest dobrym przewodnikiem elektryczności, (np. miedź, aluminium, nadprzewodniki). Końce 11 pierwotnego uzwojenia 4 można podłączyć do źródła zasilania z sieci (230 volt, 50 Hz).

Uzwojenie wtórne 5 stanowi rurową spiralę z materiału, który jest dobrym przewodnikiem zarówno ciepła jak i elektryczności (np. miedź, aluminium). Wtórne uzwojenie 5 jest nawinięte wokół przegrody 16 z obiegiem krążącego oleju. Urządzenie jest uszczelnione wewnątrz termicznie odizolowanego zbiornika 17. Pierwotne uzwojenie 4 jest chłodzone olejem pompowanym wokół zbiornika za pomocą pompy (nie pokazanej). Chłodzący olej jest wtłaczany w przestrzeń między warstwami pierwotnego uzwojenia 4 a następnie wokół zewnętrznej powierzchni wtórnego uzwojenia 5, przekazując ciepło z pierwotnego do wtórnego uzwojenia a stąd do płynu krążącego we wtórnym uzwojeniu. Jednakże, jeżeli jest pożądane prostsze urządzenie do podgrzewania płynu i akceptowana jest mniejsza wydajność cieplna, (tj. urządzenie może być uruchamiane w niższej temperaturze) wówczas zbiornik 17 i chłodzący olej mogą być pominięte a pierwotne uzwojenie może być chłodzone po prostu przez ciasne nawinięcie wtórnego uzwojenia na pierwotnym tak, że pierwotne uzwojenie jest chłodzone kondukcyjnie.

Jak wspomniano powyżej, jeden koniec wtórnego uzwojenia 5 jest podłączony złączką 9 do kanału 8 obudowy 3, zaś drugi koniec wtórnego uzwojenia 5 jest podłączony do wlotu 14 płynu. Obydwa końce wtórnego uzwojenia 5 są elektrycznie podłączone do obudowy 3 w dowolny dogodny sposób, np. poprzez złączkę 9 (która tworzy połączenie elektryczne jak i płynowe) i metalowym wtykiem 15 (który jest tylko połączeniem elektrycznym). Powyżej opisane urządzenie pracuje następująco.Płyn przeznaczony do ogrzania (np. woda) jest wprowadzany do rurowego wtórnego uzwojenia poprzez wlot 14. Płyn przechodzi poprzez długość wtórnego uzwojenia a na drugim jego końcu jest wpuszczony do kanału 8 obudowy 3 poprzez złączkę 9. Następnie płyn przepływa wzdłuż długości obudowy 3 i jest wyprowadzany rurą wylotową 10. Jednakże powrotny przepływ płynu (np. najpierw poprzez kanał 8 a później poprzez wtórne uzwojenie) byłby kłopotliwy. Pierwotne uzwojenie 4 jest zasilane z sieci prądu zmiennego (pojedynczego albo wielofazowego). Prąd ten powoduje wytworzenie strumienia magnetycznego, który indukuje napięcie elektryczne we wtórnym uzwojeniu. To indukowane napięcie daje wzrost prądu przechodzącego poprzez obudowę 3 przez elektryczne złączki 19 i 15, co powoduje ogrzanie obudowy 3 w wyniku ogrzewania rezystancyjnego. Inaczej mówiąc, obudowa stanowi obciążenie obwodu transformatora.

Korzystne jest zastosowanie obudowy wykonanej z metalu o stosunkowo dużej oporności ponieważ zwiększa to ogrzewanie rezystancyjne i polepsza wydajność urządzenia. Jeśli obudowa jest wykonana z metalu, wówczas jest również ogrzewana przez prądy wirowe, wytwarzane przez zmienne pole magnetyczne pierwotnego uzwojenia. Zjawisko to występuje w rozwiązaniu pokazanym na rysunku, gdzie pierwotne uzwojenie znajduje się pomiędzy obudową i wtórnym uzwojeniem, jednakże występuje również, choć w mniejszym stopniu, jeśli wtórne uzwojenie leży pomiędzy pierwotnym uzwojeniem a obudową. Dalsze ogrzewanie obudowy następuje poprzez ogrzewanie histerezowe w wyniku straty na histerezę. Pierwotne i wtórne uzwojenia mają tendencję do podlegania ogrzewaniu w trakcie pracy. Ciepło to powstaje w wyniku rezystancji metalu uzwojeń względem prądu płynącego przez te uzwojenia.

Zgodnie z ogólnie przyjętą praktyką stosowania transformatorów, stosowanie metali o dobrej przewodności elektrycznej na pierwotne i wtórne uzwojenia zmniejsza do minimum

168 284 ogrzewanie rezystancyjne. Podobnie należy dobrać konstrukcję urządzenia i/lub układu chłodzenia (jak wspomniano wcześniej), tak aby utrzymać pierwotne uzwojenie w odpowiednim przedziale temperatury pracy. Jednakże w przypadku wtórnego uzwojenia, jeśli stosowane jest wtórne uzwojenie rurowe, wówczas podgrzewany płyn krążący przez to uzwojenie wtórne oziębia je. Korzystne może być dobranie materiału o stosunkowo dużej rezystancji (np. stal), dla wtórnego uzwojenia, ponieważ ciepło wydzielane we wtórnym uzwojeniu może być skutecznie wykorzystane do ogrzania płynu. Kiedy płyn wejdzie do obudowy wówczas jest dalej podgrzewany przez przewodzenie z obudowy. Ponieważ podgrzewanie płynu w obudowie odbywa się poprzez przewodzenie, zatem zaleca się stosowanie stosunkowo wąskiego kanału 8 dla uzyskania maksymalnego kontaktu pomiędzy płynem a obudową. Należy zauważyć, że urządzenie według wynalazku powoduje doprowadzenie ciepła do płynu w rozmaity sposób, a mianowicie przez ogrzewanie rezystancyjne obudowy, przez ogrzewanie obudowy za pomocą prądu wirowego i histerezy, przez ogrzewanie rezystancyjne pierwotnego uzwojenia, przenoszone do uzwojenia wtórnego przez układ chłodzenia uzwojenia pierwotnego i przez ogrzewanie rezystancyjne wtórnego uzwojenia.

Należy zauważyć, że płyn może być ogrzewany przechodząc tylko poprzez obudowę a nie przez wtóme uzwojenie, jakkolwiek może to być niekorzystne, ponieważ wtóme uzwojenie nie byłoby chłodzone i płyn mógłby nie być podgrzewany poprzez przewodzenie z wtórnego uzwojenia. W rozwiązaniu alternatywnym do powyżej opisanego, obudowę 3 ma postać spiralnej rury, przez którą przepływa woda przeznaczona do ogrzania.

Przeprowadzono test pracy urządzenia pokazanego na rysunku. Obudowa 3 była wykonana z kutego żelaza i miała długość 265 mm, średnicę 60 mm i kanał 8 o średnicy około 3 mm. Pierwotne uzwojenie było wykonane z 327 zwojów drutu miedziowego o średnicy 3,75 mm. Wtórne uzwojenie było wykonane z 13 zwojów miedzianej rurki o średnicy 11,5 mm. Pierwotne uzwojenie było podłączone do źródła zasilania z sieci.

Napięcie	230 V	Temperatura peeiwOtnego uzwojenia : 105-93°C
Częstotliwość	50 Hz	Wydajność 96%
Natężenie prądu	147,5 A
Moc	29,7 kW
Współczynnik mocy	0,874

Urządzenie pracowało w warunkach stabilnych elektrycznie i było termicznie stabilne. Woda o wejściowej temperaturze 15°C była przepuszczana przez urządzenie z szybkością około 17,9 l/min, przechodząc poprzez wtórne uzwojenie a potem przez obudowę, i opuszczała urządzenie w temperaturze 38°C. Ponieważ całe ciepło wytwarzane przez urządzenie jest przekazywane do wody (wykluczając straty na przewody elektryczne, przewodzenie i promieniowanie zbiornika, zatem wydajność urządzenia jest 95%.

Dla komercyjnego i przemysłowego zastosowania urządzenia według wynalazku, powinno ono być wyposażone w elementy regulacyjne, które będą umożliwiały wstępny wybór lub zmianę temperatury wypływającego płynu, a także w czujnik ciśnienia oraz detektor szybkości przepływu, który podłączałby zasilanie na początku przepływu płynu i wyłączałby je, gdyby przepływ płynu uległ zatrzymaniu lub spadł do wartości poniżej minimalnej wartości bezpiecznej. ,

Urządzenie może pracować w warunkach wysokiego ciśnienia i może być stosowane do wytwarzania pary wodnej np. zastępczo względem kotłów parowych.

Urządzenie może być przystosowane do pracy przy 23θ V i 400 V z wejściem mocy rzędu 6 kW - 40 kW, jednakże może również pracować poza tymi granicami.

168 284

168 284

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 1,50 zł

Claims (11)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Urządzenie do ogrzewania płynu, zasilane z sieci energetycznej i zawierające bezrdzeniowy transformator i elektrycznie przewodzącą obudowę poprzez którą przepływa płyn przeznaczony do ogrzania podczas pracy tego urządzenia, znamienne tym, że bezrdzeniowy transformator zawiera pierwotne uzwojenie (4) z przewodnego elektrycznie materiału, przynajmniej częściowo otaczające obudowę (3) ale elektrycznie od niej izolowane, wtórne uzwojenie (5) z materiału przewodnego elektrycznie , umieszczone względem pierwotnego uzwojenia (4) w położeniu, w którym strumień magnetyczny wytwarzany przez zmienny prąd elektryczny przepływający przez pierwotne uzwojenie (4) obejmuje wtórne uzwojenie (5), przy czym to wtórne uzwojenie (5) jest elektrycznie izolowane od pierwotnego uzwojenia (4), ale jest elektrycznie połączone z obudową (3).
2. 2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wtórne uzwojenie (5) jest utworzone z dwóch lub więcej części, z których każda jest elektrycznie podłączona do obudowy (3).
3. 3. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że wtórne uzwojenie (5) jest rurowe i jest połączone do obudowy (3) z możliwością przepływu ogrzewanego płynu poprzez wtórne uzwojenie (5) przed albo po przepłynięciu poprzez obudowę (3) dla podgrzania płynu przez ciepło transformatora.
4. 4. Urządzenie według zastrz. 1 albo 3, znamienne tym, że obudowa (3), pierwotne uzwojenie (4) i wtórne uzwojenie (5) są koncentryczne.
5. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że obudowa (3) jest przynajmniej częściowo otoczona przez pierwotne uzwojenie (4), które jest przynajmniej częściowo otoczone przez wtórne uzwojenie (5).
6. 6. Urządzenie według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 5, znamienne tym, że obudowa (3) jest wykonana z materiału przewodnego elektrycznie, mającego dużą rezystancję.
7. 7. Urządzenie według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 5, znamienne tym, że pierwotne uzwojenie (4) i wtórne uzwojenie (5) są wykonane z materiału przewodnego elektrycznie, mającego małą rezystancję.
8. 8. Urządzenie według zastrz. 1 albo 5, znamienne tym, że obudowa (3) ma podwójne ściany, pomiędzy którymi znajduje się podgrzewany płyn.
9. 9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwotne uzwojenie (4) ma wymuszony obieg chłodzenia z zastosowaniem krążącego oleju, który obejmuje również wtórne uzwojenie (5), dla przenoszenia ciepła z pierwotnego uzwojenia (4) do wtórnego uzwojenia (5).
10. 10. Urządzenie według zastrz. 1 albo 5, znamienne tym, że wtórne uzwojenie (5) styka się fizycznie, ale jest elektrycznie odizolowane od zewnętrznej warstwy pierwotnego uzwojenia (4) dla chłodzenia pierwotnego uzwojenia (4) poprzez kondukcję do wtórnego uzwojenia (5).
11. 11. Urządzenie według zastrz. 1, albo 2, albo 3, albo 5, znamienne tym, że pierwotne (4) i wtórne uzwojenie (5) jest wykonane z miedzi a obudowa (3) jest wykonana z kutego żelaza.