RO109264B1 - Aparat pentru incalzirea unui fluid - Google Patents

Description

Prezenta invenție se referă la un aparat pentru încălzirea unui fluid (adică lichid sau gaz) și, în particular, la un aparat capabil să încălzească cu mare eficiență un curent continuu de fluid, fără folosirea elementelor încălzitoare.

Aparatul conform prezentei invenții este folosit, în special, pentru încălzirea apei la scară comercială sau industrială și va fi descris cu referire specială la această aplicație.

Cu toate acestea, trebuie specificat faptul că aparatul nu se limitează nicidecum la această aplicație, ci poate fi folosit la încălzirea oricărui fel de fluide.

în prezent, încălzirea apei la scară comercială sau industrială este, în general, un proces discontinuu: - apa ținută într-un rezervor de depozitare este încălzită cu ajutorul unui element electric de încălzire sau cu arzătoare de gaze, fiind menținută în rezervor până la folosire. Acest proces prezintă mai multe dezavantaje: - rezervorul de depozitare este voluminos și necesită amplasarea lângă locul de folosire, dacă se vrea evitarea pierderilor de căldură pe conductele de scurgere; dacă ritmul de folosire a apei fiebinți este scăzut, foarte multă energie este consumată în menținerea unui volum mare de apă la o temperatură ridicată inutilă; dacă ritmul de folosire a apei este ridicat, alimentarea (furnizarea) din rezervorul de depozitare poate fi inadecvată. Pentru a înlătura aceste neajunsuri, au fost indicate mai multe modele de încălzitoare de apă cu curgere continuă, dar toate aceste modele au reușit, până acum, să furnizeze apa fierbinte numai la debite relativ scăzute, fiind și costisitor de instalat.

Problema pe care o rezolvă invenția este aceea a realizării unui încălzitor de fluid cu curgere continuă, care este relativ ieftin de fabricat și instalat, dar care este capabil să funcționeze eficient la debite relativ înalte.

în majoritatea spațiilor comerciale și de locuit, rețeaua electrică de putere este accesibilă. Dacă rețeaua principală poate fi folosită (adică sursa de c.a. cu frecvențe în domeniul 50 + 60 Hz) fără a fi nevoie să se modifice tipul de alimentare sau frecvența, aceasta reduce substanțial cheltuiala de instalare și funcționare a încălzitoarelor electrice de fluid. Prin urinare, o altă problemă este aceea de a asigura un aparat de încălzire a fluidului capabil să funcționeze la rețeaua electrică de putere.

Au fost multe propuneri anterioare de folosire a unui transformator electric pentru a încălzi fluide, în particular apa.

De exemplu, brevetul SUA 1458634 (Alvin Waage, 1923) prezintă un dispozitiv constând dintr-un miez obișnuit pe care sunt înfășurate spire primar și secundar. înfășurarea secundară este scurtcircuitată, astfel încât tensiunea indusă în secundar provoacă un curent de scurgere în înfășurarea secundară, încălzind-o. Bobina secundară este tubulară și apa ce trebuie încălzită este făcută să curgă prin aceasta. Primarul poate fi, de asemenea, tubular.

încălzitoare de acest tip general sunt prezentate și în brevetele SUA 4602140 și 4791262.

O variantă a acestui model este prezentată în brevetul SUA 1656518, în care fluidul de încălzit curge printr-un rezervor care funcționează ca un secundar scurtcircuitat.

O altă variantă este dezvăluită în brevetul SUA 2181274, în care fluidul de încălzit curge prin miezul transformatorului; bobinele primară și secundară sunt concentrice în jurul miezului, bobina secundară fiind de fapt o singură spiră scurtcircuitată.

O variantă suplimentară este prezentată în brevetul SUA 1671839, în care bobina primară, secundară și miezul obișnuit pot fi goale, iar fluidul de încălzit este circulat prin miez și de asemenea (opțional) prin bobina primară și secundară. Bobina secundară este scurtcircuitată.

Cu toate acestea, în toate dispozitivele sus-menționate transformatorul are un miez.

Este un principiu bine stabilit în practica electrotehnicii ca pentru dispozitivele la frecvența rețelei, fluxul total de inducție eficace este obținut numai dacă se folosește un miez de transformator. Transformatoare fără miez au fost cunoscute și utilizate de mulți ani, dar numai pentru aplicații de înaltă frecvență (tipic 50 KHz, adică de o mie de ori mai mare decât frecvența rețelei), întrucât în aplicațiile de înaltă frecvență, cuplajul inductiv eficace poate fi obținut fără un miez.

O caracteristică suplimentară a tuturor dispozitivelor mai sus menționate este că flu109264 idul este încălzit, esențial, printr-o singură metodă, adică prin conducție de la secundarul scurtcircuitat. Bobina secundară este făcută normal dintr-un material de rezistență (scăzută) mică, deoarece aceasta e cerută de transferul eficace de putere. Totuși, un material de rezistență mică nu este ideal pentru o rezistentă de încălzire, pentru aceasta fiind de preferat un material de rezistență ridicată.

Brevetul SUA 4471191 prezintă un dispozitriv de încălzire a fluidului care încorporează în principal un transformator fără miez: - o înfășurare primară înconjoară un recipient al cărui interior este subdivizat de cilindrii metalici care constituie treceri prin care curge lichidul de încălzit. înfășurările secundare de forma unor inele metalice sau spirale sunt amplasate în interiorul recipientului, distanțate de cilindru.

în exploatare, înfășurarea primară induce o tensiune în înfășurarea sau înfășurările secundare care sunt scurtcircuitate astfel încât încălzirea este generată aici de curentul indus. Cilindrii metalici sunt de asemenea încălziți prin inducție, iar căldura de la înfășurarea secundară și de la cilindrii, încălzește fluidul ce trece prin recipient.

Totuși, în acest model, energia este risipită: - mai întâi, primarul este în afara recipientului și astfel nu poate contribui cu nimic la încălzirea fluidului; - în al doilea rând, aranjarea concentrică a înfășurărilor secundare și a cilindrilor metalici presupune că fluxul total de inducție între înfășurările primare și secundare este departe de cel ideal producându-se o pierdere de flux care micșorează eficacitatea dispozitivului; - în al treilea rând, înfășurarea sau înfășurările secundare sunt scurtcircuitate mai degrabă decât să fie conectate la o sarcină încălzită prin efect ohmic de tensiunea din secundar; aceasta prezintă dezavantajele expuse mai sus.

Este deci o problemă în plus a prezentei invenții, să realizeze un dispozitiv de încălzire a fluidelor care înlătură cel puțin al treilea din dezavantajele descrise mai sus și care e capabil să lucreze cu înaltă eficiență la frecvența rețelei.

Invenția de față prezintădri încălzitor electric de fluid, alimentat la rețea care include un transformator fără miez și o manta bună conducătoare electric, prin care curge, în timpul utilizării, fluidul de încălzit, acest transformator fără miez cuprinzând: o înfășurare primară, dintr-un material bun conducător electric aranjat, cel puțin în parte, în jurul mantalei menționate, dar izolată electric de aceasta, o înfășurare secundară dintr-un material bun conducător electric aranjat în raport cu înfășurarea primară, astfel că, în timpul utilizării, fluxul magnetic generat de un curent alternativ ce trece prin înfășurarea primară înconjoară înfășurarea secundară și induce aici o tensiune, înfășurarea secundară este izolată electric de înfășurarea primară, dar cuplată electric cu mantaua conductoare, astfel încât - în timpul utilizării - tensiunea indusă în înfășurarea secundară determinată, o creștere a curentului ce se scurge prin înveliș, care curent încălzește prin efect ohmic învelișul, acest înveliș fiind încălzit și prin curenții turbionari induși aici de curentul alternativ ce trece prin înfășurarea primară. Este de preferat ca mantaua, înfășurarea primară și cea secundară să fie concgntrice cu înfășurarea primară lângă manta și înfășurarea secundară în jurul exteriorului înfășurării primare. Cu toate acestea, este posibilă și o aranjare în care înfășurarea primară să fie în jurul exteriorului înfășurării secundare.

Pot fi folosite înfășurări secundare multiple, din care două sau toate sunt conectate electric, în serie sau paralel, la manta. înfășurarea secundară poate fi tubulară (de exemplu o serpentină sau un înveliș cu pereți dubli),ea fiind conectată la manta astfel încât fluidul de încălzit să curgă prin înfășurarea secundară ori înainte, ori după curgerea prin manta. Acest model de curgere a fluidului ajută atât la răcirea secundarului, cât și la încălzirea fluidului. în același scop, primarul poate fi și el tubular, dar s-a constatat că acesta nu este recomandabil, deoarece prezintă dificultăți practice de proiectare.

Modelul confom invenției prezintă un neașteptat și suprinzător avantaj și anume, acela că, deși aparatul prezentat este fără miez, se constată că funcționează cu foarte mare eficiență la frecvența rețelei. Transformatoarele fără miez au anumite avantaje asupra celor cu miez:

- în primul rând, este semnificativă reducerea costului, datorită faptului că nu mai trebuie fabricat sau adaptat miezul;

- în al doilea rând, transformatoarele fără miez prezintă tipic o curbă de magnetizare aproape liniară, în contrast cu palierul curbei de magnetizare prezentat de transformatoarele cu miez. Curba de magnetizare aproape liniară demostrează că transformatorul poate fi eficient acționat pe un interval mult mai mare de tensiune, fiind deci mai mult controlabil, adică se poate varia tensiunea într-un interval mult mai larg, fără a fi influențată de palier. Un avantaj suplimentar este acela ca un transformator fără miez este mai ușor de răcit, deoarece nu există miez care să constituie un obstacol pentru lichidul de răcire; în consecință, eficacitatea transformatorului este îmbunătățită.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură cu figura, care reprezintă o vedere, parte din secțiunea longitudinală, a aparatului, conform invenției.

Conform figurii, aparatul 2 cuprinde o manta 3 cu înveliș dublu, în jurul căreia este înfășurată bobină primar 4.

Mantaua 3 este făcută din metal, de preferință un metal care are o rezistență electrică relativ ridicată.

Trebuie accentuat că mantaua nu funcționează ca un miez de transformator și, prin urmare, nu este nevoie ca mantaua să fie făcută dintr-un metal feromagnetic. Cu toate acestea, este avantajos ca mantaua să fie făcută dintr-un material feromagnetic, întrucât astfel se îmbunătățește factorul de putere al dispozitivului, prin îmbunătățirea magnetizării acestuia. Un material potrivit pentru manta este oțelul sudabil (moale) care satisface toate criteriile de mai sus.

Mantaua prevede un perete exterior 6 și un perete interior 7 cu un canal cilindric 8 între preți, prin care curge fluidul când aparatul este în funcțiune. Un capăt al canalului 8 este racordat printr-o îmbinare etanșă 9 la interiorul unei țevi spiralate care formează bobina secundară 5, iar celălalt capăt al canalului 8 este racordat la o conductă de evacuare 10. Spațiul 12 dinăuntrul peretelui interior 7 este umplut cu aer. Acest spațiu poate găzdui un miez metalic, dar utilizarea unui astfel de miez s-a constatat că nu modifică semnificativ performanța aparatului.

Alternativ, mantaua poate fi un perete simplu dacă fluidul ce urmează a fi încălzit de dispozitiv este bun conducător de căldură sau, dacă se cere o viteză mică de încălzire. Fluidul în manta este încălzit prin conducție de la pereții încălziți și, cu toate acestea, numai straturile de fluid în contact cu acești pereți sunt încălzite direct; restul fluidului este încălzit prin conducție și convecție înăuntrul fluidului. Astfel, lungimea și lărgimea canalului 8 trebuie alese în concordanță cu tipul fluidului ce urmează a fi încălzit, cu creșterea de temperatură dorită în fluid și cu debitul dorit.

Bobina primar 4 constă din spire de conductor izolat, înfășurate direct pe exteriorul mantalei 3, conductorul fiind dispus în unul sau mai multe straturi despărțite, în așa fel încât să se ocupe toată lungimea înfășurării. Conductorul este dintr-un material bun conducător de electricitate (ex. cupru, aluminiu, supraconductori). Capetele 11 ale înfășurării primare sunt conectabile la o rețea de curent alternativ (230 V; 50 Hz).

înfășurarea secundară 5 cuprinde o serpentină din țeava de material bun conducător, atât de căldură, cât și de electricitate (ex.cupru, aluminiu).

Bobina secundară 5 este înfășurată în jurul unei diafragme 16, cu curgere laminară de ulei. Dispozitivul este închis într-un rezervor izolat termic 17. Bobina primar 4 este răcită cu ulei pompat în jurul rezervorului de o pompă ce nu apare pe desen. Uleiul de răcire circulă între straturile distanțate ale înfășurării primare și apoi în jurul suprafeței exterioare a înfășurării secundare, transferând căldura de la primar la secundar și deci fluidului care circulă în înfășurărea secundară.

Totuși, dacă este nevoie de un dispozitiv mai simplu de încălzire fluid și este acceptată o încălzire mai mică la ieșire (adică dispozitivul poate funcționa la o temperatură mai joasă), atunci rezervorul 17 și uleiul de răcire pot fi omise, iar înfășurarea primară este răcită simplu prin înfășurarea completă a secundarului peste primar, primarul fiind răcit prin conducție.

Așa cum am menționat mai sus, un capăt al înfășurării secundare este conectat prin îmbinarea 9 la canalul 8 al mantalei 3; celălalt capăt al înfășurării secundar este conectat la orificiul de intrare a fluidului 14. Ambele ca109264 pete ale înfășurării secundare sunt conectate electric la mantaua 3 prin orice mijloace convenavile, ex.: racordul 9 (care este atât un racord electric, cât și unul hidraulic) și fișa metalică 15 (care este numai un racord electric).

Dispozitivul descris mai sus este utilizat astfel: fluidul de încălzit (ex.apa) este introdus în înfășurarea secundară tubulară prin orificiul de intrare 14. Fluidul trece de-a lungul înfășurării secundare și, la celălalt capăt, este distribuit în canalul 8 al mantalei 3 prin racordul 9. Apoi, fluidul trece de-a lungul mantalei 3 și este evacuat prin conducta de evacuare 10. Cu toate acestea, este de observat că o scurgere inversă a fluidului (adică întâi prin canalul 8 și apoi prin înfășurarea secundară) ar putea fi posibilă. înfășurarea primară este alimentată la rețeaua de curent alternativ (mono sau multi fază). Acest curent produce un flux magnetic care induce în înfășurarea secundară o tensiune electrică; această tensiune indusă determină o creștere a curentului ce trece prin mantaua 3 prin intermediul racordurilor electrice 9 și 15 și, astfel, încălzește prin efect ohmic mantaua. Cu alte cuvinte, mantaua formează sarcina circuitului de transformare. Trebuie ținut cont ca folosirea pentru manta a unui metal care are o rezistență relativ ridicată este avantajoasă, deoarece acest lucru ridică la maxim încălzirea prin efect ohmic și îmbunătățește factorul de putere al dispozitivului.

Dacă mantaua este metalică, ea este încălzită și de curenții turbionari creați de câmpul magnetic variabil din înfășurarea primară. Acest efect este remarcat în dispunerea arătată în figură, unde înfășurările primare se află între manta și înfășurările secundare, dar apare o extindere mai mică chiar dacă secundarul se află între primar și manta. încălzirea suplimentară a mantalei se petrece prin încălzire histerezis din cauza pierderilor histerezis.

înfășurările primare și secundare tind, de asemenea, să se încălzească în timpul folosirii: - aceasta încălzire are loc din cauza rezistenței metalului înfășurărilor la trecerea curentului prin acestea. în concordanță cu practica stabilită, folosirea metalelor cu buna conductibilotate electrică pentru înfășurările primare și secundare va minimiza această încălzire prin efect ohmic. De asemenea, modelul dispozitivului și/sau al sistemului de răcire ales (așa cum s-a spus mai devreme) trebuie astfel ales încât să păstreze înfășurarea primară în interiorul unui interval convenabil al temperaturilor de lucru.

Cu toate acestea, în cazul înfășurării secundare, dacă este folosită o înfășurare (bobina) tubulară, atunci fluidul de încălzit, circulând prin ea, răcește secundarul și se consideră că este mai avantajos să se aleagă un metal (ex. oțel) de rezistența relativ ridicată pentru înfășurarea secundară, deoarece căldura dezvoltată în secundar poate fi bine folosită în încălzirea fluidului.

Când fluidul intră în manta, el este încălzit suplimentar prin conducție de la manta. Deoarece încălzirea fluidului în manta se face prin conducție, canalul 8 este preferabil să fie relativ îngust pentru a se obține contact maxim între fluid și manta.

Trebuie ținut cont că, în exemplul de realizare descris mai sus, dispozitivul furnizează fluidului căldura prin mai multe căi distincte:

1. Prin încălzire ohmică a mantalei.

2. Prin curenți turbionari și încălzire de histerezis a mantalei.

3. Prin încălzire ohmică a înfășurării primare, transferată înfășurării secundare prin intermediul sistemului de răcire a primarului.

4. Prin încălzire ohmică a înfășurării secundare.

Va trebui avut în vedere că fluidul ar putea fi încălzit prin trecerea lui numai prin manta și nu prin înfășurarea secundară, cu toate că aceasta ar putea fi dezavantajos deoarece înfășurarea secundară nu ar mai fi răcită și fluidul nu ar mai fi încălzit prin conducție de la secundar.

în alternativa modelului de mai sus descris, mantaua 3 este de forma unei țevi spiralate prin care curge apa de încălzit.

Asupra aparatului construit conform schemei din figură a fost făcută o testare. Mantaua 3 a fost tăcută din oțel sudabil (maleabil), având o lungime de 265 mm, cu un diametru extins de 60 mm și un canal 8 de aprox .3 mm în diametru.

înfășurarea primară a fost făcută din

327 spire din sârmă de cupru cu diametrul de

3,75 mm. înfășurărea secundară constă în 13 spire din țeavă de cupru cu diametrul de 11,5 mm.

înfășurarea primară a fost conectată la rețeaua de putere cu:

Tensiune 230 V

Frecvență 50 Hz

Curent 147,5 A

Putere 29,7 kW

Factor de putere cos φ = 0,874

Temperatura înfășurării secundare: 105 93°C

Randament

96%

Dispozitivul funcționează în regim permanent și este stabil termic. Apa la 15°C temperatură de intrare a fost trecută prin dispozitiv cu un debit de aprox.17,9 l/,min., trecând prin secundar și apoi prin manta și ieșind la 30°C.

Cum toată căldura generată de dispozitiv este transferată apei (mai puțin pierderile prin cablu electric și prin conducția și radiația rezervorului), randamentul dispozitivului este >95%.

Pentru utilizarea comercială sau industrială, aparatul mai sus descris va fi prevăzut cu reglaje care fac posibil ca temperatura de ieșire a fluidului să fie preselectată sau variată după nevoie și cu un senzor de presiune sau detector de debit care pornește sursa de alimentare a aparatului când începe curgerea fluidului și o oprește atunci când curgerea fluidului încetează sau scade sub o valoare minimă de siguranță.

Aparatul poate fi proiectat să lucreze la presiune înaltă și poate fi folosit pentru a produce abur, de exemplu ca substituent de cazan de aburi.

Dispozitivele au fost proiectate să funcționeze la 230V și 400 V cu puteri de ieșire în domeniul 6 kW 4- 40 kW, dar ar putea fi proiectate să funcționeze și în afara acestor domenii.

Claims (11)

1. Revendicări bună conducătoare electric, prin care curge, în timpul funcționării, fluidul ce urmează a fi încălzit, transformatorul fără miez menționat cuprinzând: o înfășurare primară (4) dintr-un 5 material bun conducător electric dispusă - cel puțin în parte - în jurul mantalei (3,) dar izolată electric de aceasta, o înfășurare secundară (5) dintr-un material bun conducător electric dispusă față de înfășurarea primară, 10 astfel încât fluxul magnetic generat de un curent electric alternativ ce trece prin înfășurarea primară (4) să înconjoare, în timpul funcționării înfășurarea secundară (5) și să inducă aici o tensiune, înfășurarea 15 secundară (5) fiind izolată electric de înfășurarea primară (4), dar conectată electric la mantaua (3), astfel încât tensiunea indusă în secundar determină o creștere a curentului care trece prin manta încălzind-o prin efect ohmic, 20 mantaua (3) fiind încălzită și de curenții turbionari induși aici de înfășurarea primară (4).
2. 2. încălzitor, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea ca înfășurarea

   25 secundară (5) este formată din două sau mai multe părți, fiecare din acestea fiind conectate electric la mantaua (3).
3. 3. încălzitor, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că înfășurarea

   30 secundară (5) este tubulară și este conectată la mantaua (3), astfel încât fluidul'de încălzit curge prin înfășurarea secundară (5) înainte sau după curgerea prin manta, încălzind astfel fluidul prin transfer de căldură.

   35
4. 4. încălzitor, conform revendicărilor 1 și 3, caracterizat prin aceea că mantaua (3), înfășurarea primară (4) și cea secundară (5) sunt toate concentrice.
5. 5. încălzitorul, conform revendicării 4, 40 caracterizat prin aceea că mantaua (3), este cel puțin parțial înconjurată de înfășurarea primară (4) care și ea este - cel puțin în parte - înconjurată de înfășurarea secundară (5).
6. 6. încălzitor, conform oricăreia din 45 revendicările 1 la 5, caracterizat prin aceea că mantaua (3) este dintr-un material bun conducător electric de rezistență mare.
7. 7. încălzitor, conform oricăreia din revendicările 1 la 6, caracterizat prin aceea

   50 că înfășurările primară (4) și secundară (5) sunt dintr-un material bun conducător electric, de rezistență scăzută.

   1. Încălzitor electric de fluid alimentat la rețea, caracterizat prin aceea că include un transformator fără miez (4, 5) și o manta (3)
8. 8. încălzitor, conform oricăreia din revendicările 1 la 7, caracterizat prin aceea că mantaua (3) este cu înveliș dublu și fluidul de încălzit circulă între aceste învelișuri.
9. 9. încălzitor, conform revendicării 7 5 sau revendicării 8, caracterizat prin aceea că înfășurarea primară (4) este răcită, în timpul utilizării, prin circulație de ulei sub presiune, uleiul fiind circulat și prin înfășurarea secundară (5) pentru a transfersa căldura de la 10 primar la secundar.
10. 10. încălzitor, conform revendicării 7 sau revendicării 8, caracterizat prin aceea că înfășurarea secundară (5) este în contact fizic, dar izolată electric, de aceasta, cu stratul exterior al înfășurării primare (4), astfel încât în timpul folosirii înfășurarea primară este răcită prin conducție spre înfășurarea secundară.
11. 11. încălzitor, conform oricăreia din revendicările 1 la 10, caracterizat prin aceea că înfășurarea primară (4) și secundară (5) sunt făcute din cupru, iar mantaua (3) din oțel sudabil (moale).