RU2121246C1 - Process of conversion electric power to thermal one and creation of heat transfer - Google Patents

Abstract

FIELD: heating. SUBSTANCE: process employs one or more closed turns of conductor of electric current forming secondary winding of electric transformer in the capacity of heating element. Heat transfer agent is brought to contact with surfaces of conductor. EFFECT: enhanced reliability of conversion of electric energy to thermal one during heat transfer. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технологии преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкости в системах предпускового подогрева двигателей внутреннего сгорания, отопления и горячего водоснабжения промышленных предприятий и жилых зданий, для нагрева плазмы и других веществ. The invention relates to a technology for converting electrical energy into heat and creating heat transfer. It can be used for heating liquids in pre-heating systems for internal combustion engines, heating and hot water supply of industrial enterprises and residential buildings, for heating plasma and other substances.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, основанный на прямом пропускании электрического тока через теплоноситель, создаваемого за счет подачи напряжения питающей сети через токоподводы к электродам (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Он используется для нагрева жидкости, бетона, для оттаивания грунтов, руды, песка и других веществ. Основными недостатками этого способа являются повышенная электроопасность из-за относительно высоких напряжений (380 В или 220 В), а также зависимость электронагрева и теплообмена от электрического сопротивления теплоносителя. В частности, в нагреваемую воду вносят специальные добавки, чтобы обеспечить заданное значение электрического сопротивления. A known method of converting electrical energy into heat and creating heat transfer, based on the direct transmission of electric current through a coolant created by supplying voltage to the electrodes through current leads (see A. Altgauzen et al., "Low-temperature electric heating", Moscow, Energy, 1968). It is used for heating liquids, concrete, for thawing soils, ore, sand and other substances. The main disadvantages of this method are the increased electrical hazard due to relatively high voltages (380 V or 220 V), as well as the dependence of electric heating and heat transfer on the electrical resistance of the coolant. In particular, special additives are added to the heated water to provide a given value of electrical resistance.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, включающий подводку электропитания к нагревательному элементу, представляющему собой металлическую трубку, внутри которой находится нагревательная спираль, запрессованная в специальном наполнителе, пропускание электрического тока через нагревательную спираль (см. А.П. Альтгаузен и др., "Низкотемпературный электронагрев", Москва, Энергия, 1968). Такой способ получил широкое распространение в различных областях народного хозяйства. Трубчатый электрический нагреватель (ТЭН) можно помещать в воду, соли, жидкий металл, пресс-форму, картер двигателя внутреннего сгорания и т.д. Однако к нагреваемой спирали подводится электрическое напряжение непосредственно от питающей сети, а снизить подаваемое напряжение не позволяет относительно высокое электрическое сопротивление спирали, что влечет необходимость электроизоляции спирали для обеспечения электробезопасности и что в свою очередь снижает теплопроводность между спиралью и металлической трубкой, а следовательно, ухудшает теплообмен между ТЭН (ом) и теплоносителем в целом. Электроизоляция спирали не исключает вероятность ее электрического пробоя и попадания на металлическую трубку ТЭН(а) высокого электрического потенциала, что приводит к необходимости ее заземления. Кроме того, ТЭН (ы) имеют ограниченный срок службы из-за перегорания спирали. A known method of converting electrical energy into heat and creating heat transfer between the heating element and the coolant, including connecting the power supply to the heating element, which is a metal tube, inside which there is a heating coil, pressed into a special filler, passing electric current through the heating spiral (see A. P. Altgauzen et al., "Low-Temperature Electric Heating", Moscow, Energy, 1968). This method has become widespread in various areas of the national economy. A tubular electric heater (TEN) can be placed in water, salts, liquid metal, a mold, a crankcase of an internal combustion engine, etc. However, an electric voltage is supplied directly to the heated coil directly from the supply network, and the relatively high electrical resistance of the spiral does not allow the voltage to be supplied, which necessitates the electrical insulation of the spiral to ensure electrical safety and, in turn, reduces the thermal conductivity between the spiral and the metal tube, and therefore affects heat transfer between the heater (ohm) and the coolant as a whole. The electrical insulation of the spiral does not exclude the possibility of its electrical breakdown and high electrical potential falling on the TEN (a) metal tube, which leads to the need for its grounding. In addition, the heater (s) have a limited service life due to burnout of the spiral.

Известен способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, получивший название "Контактная сварка" (см. Н.С. Кабанов, "Сварка на контактных машинах", Москва, изд. "Высшая школа", 1985; Ю.Н. Бобринский и Н.П. Сергеев, "Устройство и наладка контактных сварочных машин", Москва, изд. "Машиностроение", 1967; В.Г. Геворкян, "Основы сварочного дела", Москва, изд. "Высшая школа", 1991). В данном способе нагревательным элементом и теплоносителем является свариваемый металл, который замыкает вторичную обмотку сварочного трансформатора, в результате чего по замкнутой цепи протекает электрический ток, достаточный для нагрева и сварки металла. При этом каждый виток вторичной обмотки трансформатора является отдельным источником электроэнергии, так как он охватывает один и тот же магнитный поток, создаваемый в магнитопроводе первичной обмоткой трансформатора. A known method of converting electrical energy into heat and creating heat transfer, called "Contact welding" (see N. S. Kabanov, "Welding on contact machines", Moscow, ed. "Higher school", 1985; Yu. N. Bobrinsky and NP Sergeev, "Design and commissioning of contact welding machines", Moscow, publishing house "Engineering", 1967; VG Gevorgyan, "Fundamentals of welding", Moscow, publishing house "Higher school", 1991). In this method, the heating element and coolant is welded metal, which closes the secondary winding of the welding transformer, as a result of which an electric current sufficient for heating and welding of metal flows through a closed circuit. Moreover, each turn of the secondary winding of the transformer is a separate source of electricity, since it covers the same magnetic flux generated in the magnetic circuit by the primary winding of the transformer.

Этот способ является прототипом. Недостаток способа заключается в том, что он применим только лишь для теплоносителей с относительно низким электрическим сопротивлением. В случае применения жидкости, например воды, пришлось бы отказаться от понижения напряжения с помощью трансформатора, и способ превратился бы в рассмотренный первый со всеми его недостатками. This method is a prototype. The disadvantage of this method is that it is applicable only for coolants with a relatively low electrical resistance. In the case of the use of a liquid, for example water, one would have to refuse to lower the voltage with a transformer, and the method would turn into the first one with all its drawbacks.

Безопасность и надежность преобразования электрической энергии в тепловую, эффективность теплообмена в предлагаемом способе достигаются путем использования в качестве нагревательного элемента замкнутого витка проводника электрического тока или нескольких витков, образующих вторичную обмотку трансформатора, и введения теплоносителя в контакт с поверхностями проводника. При замыкании витка проводника, охватывающего магнитопровод трансформатора, в нем наводится ЭДС меньше от подводимой к первичной обмотке в число ее витков, что обеспечивает электробезопасность, а протекающий по замкнутому витку ток резко возрастает из-за малого электрического сопротивления витка и осуществляет его нагрев независимо от электрического сопротивления теплоносителя. В то же время непосредственный контакт теплоносителя с поверхностями замкнутого витка проводника повышает эффективность теплообмена за счет резкого снижения тепловых потерь. Могут быть созданы условия, исключающие возможность перегорания витка, что обеспечивает надежность преобразования. The safety and reliability of converting electric energy into heat, the heat transfer efficiency in the proposed method is achieved by using a closed coil of an electric current conductor or several turns forming a secondary winding of a transformer as a heating element and introducing a coolant into contact with the surfaces of the conductor. When the coil of the conductor enclosing the transformer’s magnetic circuit is closed, the EMF is induced less from the turns to the number of its turns, which ensures electrical safety, and the current flowing through the closed coil increases sharply due to the small electrical resistance of the coil and carries out its heating regardless of the electrical coolant resistance. At the same time, direct contact of the coolant with the surfaces of the closed loop of the conductor increases the efficiency of heat transfer due to a sharp decrease in heat loss. Conditions can be created that exclude the possibility of burnout of the coil, which ensures the reliability of the conversion.

На чертеже приведен пример оборудования, реализующего предлагаемый способ. The drawing shows an example of equipment that implements the proposed method.

Способ осуществляется следующим образом. С помощью переключателя K первичную обмотку трансформатора с числом витков W₁ подключают к сети переменного тока. В магнитопроводе 1 возникает переменный магнитный поток, который наводит ЭДС в замкнутых витках проводников 2 и 3 и вызывает в них электрический ток, нагревающий их. Проводник 2 выполнен в виде трубы, проводник 3 - из замкнутого пучка медных проводов. На вход A вводят холодный теплоноситель, например воду, которая попадает внутрь проводника 2 и омывает снаружи проводник 3. Через поверхности раздела проводников 2 и 3 и теплоносителя происходит теплообмен, теплоноситель нагревается и за счет конвекции поступает на выход Б. В одном частном случае проводник 3 может отсутствовать (он нужен тогда, когда электрическое сопротивление проводника 2 не согласуется с мощностью трансформатора). В другом частном случае, чтобы не допускать рассеяние тепла с наружной поверхности проводника 2, вместо проводника 2 может быть использована электроизоляционная труба, и тогда тепло в теплоноситель будет поступать только из проводника 3. В третьем случае проводником может являться сам теплоноситель, помещенный внутрь изоляционной трубы или в объем другой формы, охватывающей магнитопровод.The method is as follows. Using the switch K, the primary winding of the transformer with the number of turns W _{1 is} connected to an AC network. An alternating magnetic flux arises in the magnetic circuit 1, which induces an EMF in the closed turns of conductors 2 and 3 and causes an electric current in them to heat them. Conductor 2 is made in the form of a pipe, conductor 3 is made of a closed bundle of copper wires. Cold coolant is introduced into input A, for example, water that enters inside conductor 2 and washes conductor 3 from the outside. Heat exchange occurs through the interfaces between conductors 2 and 3 and coolant, the coolant heats up and enters outlet B by convection. In one particular case, conductor 3 may be absent (it is needed when the electrical resistance of conductor 2 is not consistent with the power of the transformer). In another particular case, in order to prevent heat dissipation from the outer surface of the conductor 2, an insulating pipe can be used instead of the conductor 2, and then the heat will be supplied to the coolant only from the conductor 3. In the third case, the coolant itself can be placed inside the insulating pipe or in the volume of another form, covering the magnetic circuit.

Пример конкретного выполнения способа. An example of a specific implementation of the method.

Был взят радиатор стальной штампованный марки 2М3-500 (см. стр. 189, Справочник по специальным работам под редакцией Н.А. Коханенко, Москва, изд. литературы по строительству, 1964) с эквивалентной поверхностью нагрева 3,53 экм (эквивалент 11 - секционного чугунного радиатора М-140 по ГОСТ 8690-58) с емкостью 13,3 л. Из стальной трубы диаметром 3/4'' был изготовлен замкнутый виток, охватывающий магнитопровод трансформатора питания мощностью 1,5 кВт. Вход витка А был соединен с выходом (патрубок в нижней части радиатора, установленного вертикально), а выход витка Б - с входом радиатора (патрубок в верхней части) с помощью резиновых шлангов. В верхней части радиатора был установлен расширительный бачок емкостью 0,25 л. Затем система (радиатор - виток) была заполнена водой и первичная обмотка трансформатора включена в сеть с напряжением 220 В. Температура, окружающая радиатор до включения трансформатора, была 4,5^oC в объеме помещения 300 м³. После включения трансформатора были измерены электрическое напряжение на витке 0,8 В и электрический ток, проходящий по витку, который составил 1875 А. Через 20 мин температура воды в радиаторе возросла до 96^oC (первоначальная температура воды составляла 12^oC), после чего с помощью тиристорной системы управления потребляемая из сети мощность была уменьшена вначале до 800 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 82^oC, а затем через 2 часа до 500 Вт, что обеспечило поддержание температуры воды на уровне 60^oC. В результате 4-часового испытания температура в помещении достигла 18^oC. На следующий день система была включена на потребляемую мощность 1,5 кВт. Через 4 часа температура в помещении достигла 23^oC, после чего система была переведена на потребление 500 Вт и эксплуатируется в течение 1 месяца как обогревательное устройство.A 2M3-500 stamped steel radiator was taken (see p. 189, Special Works Handbook edited by N.A. Kokhanenko, Moscow, ed. Of construction literature, 1964) with an equivalent heating surface of 3.53 ecm (equivalent to 11 - sectional cast-iron radiator M-140 according to GOST 8690-58) with a capacity of 13.3 liters. A closed coil was made of a 3/4 '' diameter steel pipe, covering the magnetic core of a 1.5 kW power transformer. The input of coil A was connected to the outlet (pipe at the bottom of the radiator mounted vertically), and the output of coil B to the radiator inlet (pipe at the top) using rubber hoses. An expansion tank with a capacity of 0.25 liters was installed in the upper part of the radiator. Then the system (radiator - coil) was filled with water and the primary winding of the transformer was connected to a voltage of 220 V. The temperature surrounding the radiator before turning on the transformer was 4.5 ^o C in a room volume of 300 m ³ . After turning on the transformer, the electrical voltage at the turn of 0.8 V and the electric current passing through the turn were measured, which amounted to 1875 A. After 20 minutes, the water temperature in the radiator increased to 96 ^o C (the initial water temperature was 12 ^o C), after which using a thyristor control system, the power consumed from the network was initially reduced to 800 W, which ensured that the water temperature was maintained at 82 ^o C, and then after 2 hours to 500 W, which ensured that the water temperature was maintained at 60 ^o C. As a result, 4 hour test The temperature in the room reached 18 ^o C. The next day the system was switched on at a power consumption of 1.5 kW. After 4 hours, the room temperature reached 23 ^o C, after which the system was switched to a consumption of 500 W and is operated for 1 month as a heating device.

Были проведены испытания по нагреву системы отопления с емкостью 150 л по предлагаемому способу с потреблением мощности 800 Вт. В процессе испытаний был установлен нагрев воды от 16^oC до 58,5^oC за 7 часов, после чего система была переведена в режим, поддерживающий температуру на уровне 58^oC при потреблении мощности 500 Вт.Tests were conducted to heat the heating system with a capacity of 150 l according to the proposed method with a power consumption of 800 watts. During the tests, the water was heated from 16 ^o C to 58.5 ^o C in 7 hours, after which the system was switched to a mode that maintains the temperature at 58 ^o C with a power consumption of 500 watts.

Были проведены испытания по введению внутрь замкнутого витка из стальной трубы пучка из медных проводов, замкнутых с помощью пайки (проводник 3). В результате испытаний установлена возможность с помощью проводника 3 уменьшать эквивалентное электрическое сопротивление замкнутых витков практически в любых пределах и увеличивать потребляемую мощность до полной загрузки трансформатора. Tests were carried out to introduce a bundle of copper wires closed by soldering (conductor 3) into a closed loop from a steel pipe. As a result of the tests, it was established that, with the help of conductor 3, it is possible to reduce the equivalent electrical resistance of closed turns in practically any range and increase the power consumption until the transformer is fully loaded.

Испытания показали возможность снижения потребляемой электроэнергии в 1,5 -2 раза при использовании предлагаемого способа в сравнении с традиционными. Tests have shown the possibility of reducing energy consumption by 1.5 -2 times when using the proposed method in comparison with traditional ones.

Claims (2)

1. Способ преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена между нагревательным элементом и теплоносителем, использующий в качестве нагревательного элемента вторичную обмотку электрического трансформатора, выполненную в виде замкнутого витка проводника в виде трубы со входом и выходом теплоносителя, отличающийся тем, что обеспечивают конвенцию теплоносителя через нагревательный элемент соединением его входа с выходом теплоносителя из радиатора, а выхода теплоносителя из нагревательного элемента - со входом радиатора, соединения выполняют шлангами, радиатор устанавливают вертикально таким образом, чтобы выход теплоносителя из радиатора находился в его нижней части, в верхней части радиатора устанавливают расширительный бачок и всю систему заполняют теплоносителем и подключают трансформатор в сеть. 1. A method of converting electrical energy into heat and creating heat transfer between a heating element and a heat carrier, using as a heating element a secondary winding of an electric transformer, made in the form of a closed coil of a conductor in the form of a pipe with an input and output of a heat carrier, characterized in that they provide heat carrier convention through heating element by connecting its input to the heat carrier exit from the radiator, and the heat carrier exit from the heating element to the input the radiator, the connections are made with hoses, the radiator is installed vertically so that the coolant outlet from the radiator is in its lower part, an expansion tank is installed in the upper part of the radiator and the entire system is filled with coolant and the transformer is connected to the network. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что замкнутый виток в виде трубы выполняют из электроизоляционного материала, а внутрь его устанавливают один или более замкнутых витков проводника. 2. The method according to claim 1, characterized in that the closed coil in the form of a pipe is made of electrical insulating material, and one or more closed turns of the conductor are installed inside it.