В статье рассмотрен вопрос применения энергоэффективных технологий электронагрева жидкостей.
Ключевые слова: нагреватели, индукция, нагревание жидкости, диффузия, энергосбережение.
До настоящего времени различные индукционные нагреватели жидкостей создавались и, следовательно, оптимизировались по конструктивному исполнению и рабочим режимам для решения конкретной задачи повышение теплосодержания для последующего использования нагретых жидкостей в технике.
В промышленности работают такого типа установки отечественного и зарубежного исполнения. Исследование и разработка методов расчета индукционных систем нагрева жидкостей позволили создать электротехнологические установки принципиально нового типа, в которых с использованием электромагнитных полей за счет интенсификации электродиффузии и термодиффузии в десятки и сотни раз увеличиваются скорости протекания различных химических реакций [1]. Это позволяет реализовать новые электротехнологические процессы: переработка жидких отходов, опреснение морской воды, снижение жесткости воды и т. д. Рассматриваемая электротехнологическая система состоит из первичной обмотки (индуктора), внутри которой находится магнитопровод, а с наружной стороны индуктор окружен традиционными электромагнитными экранами, которые обеспечивают преобразование электрической энергии в тепловую. Между экранами организован проток обрабатываемой жидкости. Имея формальное внешнее сходство с трансформатором, рассматриваемая индукционная установка существенно отличается протекающими электромагнитными процессами и особенностями согласования параметров индуктора и вторичной цепи. В трансформаторе первичные и вторичные обмотки располагаются близко для того, чтобы обеспечить хорошую индуктивную связь между ними. В новых устройствах индуктор специально удален от вторичной обмотки на оптимальное расстояние [1].
Вторичная обмотка выполняется в виде коаксиальных цилиндров. Вследствие этого большие поля рассеяния оказывают влияние на электромагнитные параметры системы. Здесь же необходимо отметить отличие рассматриваемой схемы от систем нагрева индукционных канальных печей. Имея много общего с канальной электропечью, новая индукционная установка имеет вторичную цепь, создаваемую несколькими экранами — цилиндрами. При этом средний цилиндр может выполняться из короткозамкнутых колец произвольной формы для создания электромагнитного поля с оптимальными параметрами для электрофизической обработки жидкостей. Электрически кольца могут быть изолированными, соединенными последовательно (винтовое выполнение расщепленного цилиндра) или с противоположным направлением токов в соседних кольцах [2].
Использование эффекта близости токонесущих колец позволяет вводить дополнительный управляющий фактор за счет оптимизации отклонений от осе-симметричности полей. Относительно магнитного потока кольца расщепленного цилиндра оказываются расположенными последовательно, а относительно индуктора — параллельно. Различные варианты конструктивного исполнения цилиндров позволяют оптимизировать процессы взаимодействия движущейся жидкости с электромагнитным полем, в том числе за счет действия электродинамических сил с одновременным нагревом жидкости за счет кондуктивно-конвекционного теплообмена с нагреваемыми кольцами и цилиндрами [3].
Короткозамкнутые цилиндры, связанные общим магнитным потоком, формализуются как параллельно включенные сопротивления, образующие слоистую систему нагрева. При создании эффективных конструкций для нагрева и обработки жидкостей в электромагнитных полях необходимо принимать толщину цилиндров (колец) меньше глубины проникновения тока в материал цилиндра. В этом случае в процессе преобразования электрической энергии в тепловую и механическую будут участвовать все цилиндры (кольца), установленные вокруг индуктора. В процессе проведения излагаемых исследований было показано, что даже при установке пяти коаксиальных цилиндров тепловыделение в наружном цилиндре наблюдается и составляет более 10 % от вводимой мощности. Кроме этого, выявлено новое свойство таких индукционных систем: максимальное выделение энергии наблюдается в цилиндре, для которого отношение толщины цилиндра к глубине проникновения максимально [3]. Из этого следует, что в индукционной системе, состоящей, например, из трех цилиндров одинаковой толщины, но изготовленных из разных немагнитных материалов (сталь-медь-сталь), максимальная мощность будет выделяться (до 80 %) в медном цилиндре. Это свойство рассматриваемой электромагнитной системы с одновременным расщеплением среднего цилиндра на отдельные короткозамкнутые кольца произвольной конфигурации позволяют создать в рабочем пространстве градиентное интенсивное магнитное поле для электрофизической и электродинамической обработки движущейся жидкости.
При строгом подходе процессы взаимодействия движущейся жидкости с электромагнитным полем с учетом развитой термодиффузии будут иметь трехмерный характер с многопараметрическими зависимостями. Конструкция рассматриваемого устройства имеет особенности, которые позволяют принять ряд допущений, дающих возможность аналитически решить задачу расчета поля в рабочем объеме с получением интегральных параметров. Примем, что толщина концентрических слоев значительно меньше, чем высота hi этих слоев, а расстояния между кольцами также значительно меньше высоты колец. При таких соотношениях можно считать, что в каждом слое проводящем и полупроводниковом существует одномерное синусоидальное электромагнитное поле, возбуждаемое магнитным потоком сердечника магнитопровода. Локальные отличия от одномерного характера поля будут влиять на краевые реактивные сопротивления цилиндров и на распределение плотности тока по сечению колец. Эти особенности будут учитываться в последующем путем введения дополнительных уточнений в расчет.
Литература:
- Инкин, А. И. Расчет индукционных систем нагрева трансформаторного типа / А.И. Инкин, В. С. Чередниченко, К. В. Хацевский, С. Ю. Ивликов. — Электротехника. — 2000. — № 11– С. 34–37.
- Хацевский, К. В. Электронагрев жидкостей и газов в индукционных установках с коаксиальными цилиндрами. — Павлодар: ЭКО, 2002. — 120 с.
- Хацевский, К. В. Энергоэффективные технологии электронагрева жидкостей и газов: монография / К. В. Хацевский, Т. В. Гоненко. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. — 176 с.
