НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/10 

Изобретение относится к индукционным нагревательным устройствам, работающим на токах промышленной частоты, а именно к устройствам индукционного нагрева стенок стальных изделий типа резервуаров, емкостей, трубопроводов, радиаторов и т.п. и предназначается для применения, например на предприятиях нефтедобычи и нефтепереработки для электроподогрева трубопроводов, резервуаров и иного технологического оборудования, где для питания нагревателя возможно использование токов промышленной частоты. Изобретение может быть также использовано в качестве нагревательного прибора для обогрева жилых и нежилых помещений.

Известен индукционный нагреватель емкостей по патенту ФРГ, содержащий по меньшей мере две катушки, каждая из которых охвачена магнитопроводом с элементами его крепления и слой теплоизоляции, размещенный на внутренней поверхности катушек [1]
Недостатком такого нагревателя является то, что для его ремонта затрачивается много времени, так как для снятия вышедших из строя индукционных катушек необходимо удалить приваренные к поверхности обогреваемой емкости стальные полукольца, применяя огненную резку.

Наиболее низким (прототипом) к заявляемому техническому решению из числа известных средств того же назначения является индукционный нагреватель емкостей, содержащий по меньшей мере две катушки, каждая из которых охвачена магнитопроводом с элементами его крепления [2] Катушки имеют электроизоляцию, на их внутренней поверхности размещен слой теплоизоляции. Магнитопровод каждой катушки выполнен в виде тавра, оба торца которого свободно вставляются в пазы обоймы. Обоймы жестко закреплены, например с помощью сварки на наружной поверхности емкости, подлежащей нагреву. Элементы крепления магнитопроводов выполнены в виде съемных скоб, которые охватывают магнитопроводы с наружной поверхности и болтами прикреплены к обоймам.

На нагреватель подают ток промышленной частоты, в результате чего в магнитопроводе создается магнитный поток, вызывающий вихревые токи (токи Фуко), благодаря которым осуществляется нагрев стенки стальной емкости, в основном через торцевые участки магнитопровода.

Недостатком известного по прототипу нагревателя является неравномерный нагрев поверхности нагреваемого изделия, так как воздействие вихревых токов, индукцируемых катушками и вызывающих нагрев стенки стального изделия, в районах торцев магнитопровода и вне торцев всегда будет разное. Кроме того, в известном по прототипу нагревателе часты случаи перегрева катушек, что снижает его надежность в работе. Вместе с этим часть элементов нагревателя (обоймы) необходимо жестко закреплять, например с помощью сварки, на наружной поверхности емкости, подлежащей нагреву. Оставшуюся большую часть элементов нагревателя: магнитопроводы, индукционные катушки, слой теплоизоляции, съемные скобы и болты необходимо каждый раз монтировать и демонтировать. В целом нагреватель по прототипу имеет большое количество деталей, усложняющих его конструкцию, имеет значительный вес, требует в эксплуатации дополнительных затрат труда. Сложность конструкции, кроме всего, затрудняет его использование для обогрева изделий сложной формы.

Целью заявляемого изобретения является обеспечение равномерного нагрева поверхности нагреваемого изделия по всей находящейся под нагревателем площади путем обеспечения воздействия на нагреваемую поверхность вихревых токов каждым витком катушки, повышение надежности работы нагревателя путем исключения перегрева его катушек, упрощения конструкции нагревателя, облегчения его эксплуатации, снижения веса и расширения сферы использования.

Для достижения поставленной цели в известном низкочастотном индукционном нагревателе для прогрева стенок стальных изделий, включающем катушки и их электроизоляцию, нами введены следующие новые конструктивные элементы: каждая катушка выполнена в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением, при этом катушки размещены в одной плоскости, соединены между собой и скреплены электроизоляционным материалом в однослойную сплошную ленту.

Однослойная сплошная лента в поперечном сечении может быть выполнена в виде прямолинейной пластины, в виде кольца, в виде двух или более частей кольца или в виде изогнутого под одним или несколькими углами профиля. В качестве электроизоляционного материала для скрепления катушек используют стеклопластик, а также электроизоляционный материал на основе резины или пластичных полимеров.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации не известны низкочастотные индукционные нагреватели для прогрева стенок стальных изделий, в которых, как нами предложено впервые, каждая катушка была бы выполнена в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением, а катушки при этом были бы размещены в одной плоскости, соединены между собой и скреплены электроизоляционным материалом в однослойную сплошную ленту. Неизвестно также и то, что указанная выше однослойная сплошная лента в поперечном сечении была бы выполнена в виде прямолинейной пластины, либо в виде кольца, либо в виде двух или более частей кольца, либо в виде изогнутого под одним или несколькими углами профиля. Неизвестно и то, чтобы в совокупности с указанными выше новыми признаками в качестве электроизоляционного материала при скреплении однослойных соединенных между собой плоских катушек в одну сплошную однослойную ленту был бы использован стеклопластик или электроизоляционный материал на основе резины или пластичных полимеров.

Указанные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о том, что заявляемый низкочастотный индукционный нагреватель соответствует критерию "Новизна".

Внесенные отличительные признаки позволяют в целом заявляемому низкочастотному индукционному нагревателю получить новые свойства, то есть достичь новый технический результат, а именно, благодаря выполнению каждой катушки в виде однослойной архимедовой спирали и благодаря размещению таких катушек в одной плоскости, при работе заявляемого нагревателя обеспечивается равномерный нагрев поверхности нагреваемого изделия по всей находящейся под нагревателем площади, так как каждый виток катушки заявляемого нагревателя находится в одинаковых условиях взаимодействия с поверхностью стенки стального нагреваемого изделия, при этом каждым витком катушки в таких условиях индукцируются вызывающие нагрев вихревые токи. Благодаря выполнению каждой катушки заявляемого нагревателя в виде однослойной архимедовой спирали обеспечивается равномерное распределение тепловой энергии непосредственно в стенке нагреваемого изделия, это в свою очередь исключает перегрев катушек, как это часто происходит с многослойными катушками в прототипе, что позволяет повысить надежность работы заявляемого нагревателя. Выполнение катушек в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением при размещении таких катушек в одной плоскости и скреплении их электроизоляционным материалом в однослойную сплошную ленту, как это предложено в заявляемом нагревателе, до минимума уменьшает количество элементов, составляющих нагреватель, что одновременно упрощает конструкцию нагревателя, снижает его вес и облегчает его эксплуатацию. А возможность выполнять заявляемый нагреватель в его поперечном сечении в виде кольца, или части кольца, или изогнутого под углом профиля, позволяет существенно расширить сферы использования заявляемого нагревателя, так как заявляемый нагреватель в его поперечном сечении легко изготовить заранее любой требуемой конфигурации. В результате можно производить обогрев стальных изделий любой сложной формы. А когда в качестве электроизоляционного материала при скреплении плоских однослойных катушек в однослойную сплошную ленту было предложено использовать электроизоляционный материал на основе резины или пластичных полимеров, то стало возможным получить заявляемый низкочастотный индукционный нагреватель в виде гибкой эластичной сплошной ленты, благодаря чему существенно облегчается его эксплуатация.

Таким образом, отличительные признаки предлагаемого низкочастотного индукционного нагревателя в совокупности с известными признаками обеспечивают заявляемому нагревателю получение новых свойств, отраженных в цели изобретения, исходя из чего можно сделать вывод о том, что заявляемый нагреватель отвечает критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 дан общий вид заявляемого нагревателя вид в плане, в котором однослойные катушки выполнены в виде круговой архимедовой спирали, при этом верхний слой изоляции в половину его толщины условно снят; на фиг. 2 - поперечное сечение однослойной сплошной ленты, выполненное в виде прямолинейной пластины сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 поперечное сечение однослойной сплошной ленты, выполненное в виде кольца; на фиг. 4 поперечное сечение однослойной сплошной ленты, выполненное в виде двух частей кольца; на фиг. 5 поперечное сечение однослойной сплошной ленты, выполненное в виде изогнутого под тремя углами профиля.

На чертеже представлен один из возможных вариантов выполнения заявляемого изобретения. Каждая катушка 1 (фиг. 1) изготовлена в виде однослойной архимедовой спирали из, например, обмоточного покрытого электроизоляцией медного провода 2, являющегося одним из представителей электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением. Однослойные катушки 1 размещены в одной плоскости и соединены между собой с помощью такого же покрытого электроизоляцией медного провода 2 по требуемой схеме (на фиг. 1) элементы соединения катушек 1 между собой не нумерованы). Размещенные в одной плоскости и соединенные между собой катушки 1 скреплены электроизоляционным материалом 3 в однослойную сплошную ленту, вид в плане которой дан на фиг. 1. При этом однослойная сплошная лента может быть выполнена в поперечном сечении в виде прямолинейной пластины (фиг. 2), или в виде кольца (фиг. 3), или в виде частей кольца (фиг. 4), или в виде изогнутого под несколькими углами профиля (фиг. 5). В качестве электроизоляционного материала 3 на фиг 1-5 представлен вариант использования стеклопластика, которым залиты катушки 1. При использовании в качестве электроизоляционного материала 3 для скрепления катушек 1 электроизоляционного материала на основе резины или пластичных полимеров заявляемый низкочастотный индукционный нагреватель будет представлять собой гибкую эластичную сплошную ленту.

С помощью например бандажной ленты из дюралюминия заявляемый нагреватель монтируют непосредственно на поверхности стального изделия, подлежащего прогреву, и к выходным концам 4 катушек 1 подают электрический ток промышленной частоты, например, 50 Гц. Индукцируемые при этом катушками 1 вихревые токи вызывают нагрев стенок стального изделия.

Представленный выше вариант реализации заявляемого нагревателя является одним из возможных, но далеко не единственным. Изготовление и работа заявляемого нагревателя общедоступны и очевидны, что дает основание считать заявляемое изобретение удовлетворяющим критерию "Промышленной применимости".

Опытный образец заявляемого нагревателя испытан в промысловых условиях при обогреве буллита объемов 200 м³ блока подготовки нефти. Ширина однослойной сплошной ленты опытного образца нагревателя составляла 300 мм, ее толщина была равна примерно 4,8 мм, длина ленты составляла 4 м. При нагреве использовался ток промышленной частоты 50 Гц, напряжение 220 В. Мощность нагревателя составляла 1,5 кВт. Температура стенки буллита поднималась до 60^oС при температуре наружного воздуха 10^oС.

Использование заявляемого нагревателя по сравнению с прототипом позволяет благодаря повышению надежности работы нагревателя не менее, чем в 20 раз увеличить межремонтный плановый срок его безаварийной работы; благодаря упрощению конструкции сократить расход конструкционных материалов не менее, чем в 5 раз и одновременно при этом снизить общий вес нагревателя не менее, чем в 10 раз и существенно облегчить условия труда при его использовании; благодаря тому, что в поперечном сечении заявляемый нагреватель заранее можно изготовлять любой требуемой конфигурации, обеспечивается возможность использовать заявляемый нагреватель, например, на любом нефтепромысловом и другом оборудовании, существенно расширяя его сферы использования.

Использование: изобретение предназначено для обогрева различного технологического оборудования в любых отраслях народного хозяйства и может быть использовано для обогрева жилых и нежилых помещений. Сущность изобретения: каждая катушка нагревателя выполнена в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением, все катушки размещены в одной плоскости, соединены между собой и скреплены электроизоляционным материалом (ЭИЗМ) в однослойную сплошную ленту, которая в поперечном сечении может быть выполнена в виде прямолинейной пластины, или в виде кольца, или в виде частей кольца, или в виде изогнутого под углом или несколькими углами профиля. В качестве ЭИЗМ для скрепления катушек используют стеклопластик или материал на основе резины или пластичных полимеров. Конструкция позволяет равномерно подогреть изделие, упростить конструкцию, снизить ее вес и облегчить эксплуатацию. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Низкочастотный индукционный нагреватель для прогрева стенок стальных изделий, включающий катушки и их электроизоляцию, отличающийся тем, что каждая катушка выполнена в виде однослойной архимедовой спирали из электропроводного с внешней изоляцией материала с малым удельным электрическим сопротивлением, при этом катушки размещены в одной плоскости, соединены между собой и скреплены электроизоляционным материалом в однослойную сплошную ленту. 2. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что однослойная сплошная лента в поперечном сечении выполнена в виде прямолинейной пластины. 3. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что однослойная сплошная лента в поперечном сечении выполнена в виде кольца. 4. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что однослойная сплошная лента в поперечном сечении выполнена в виде двух или более частей кольца. 5. Нагреватель по п.1, отличающийся тем, что однослойная сплошная лента в поперечном сечении выполнена в виде изогнутого под одним или несколькими углами профиля. 6. Нагреватель по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что в качестве электроизоляционного материала для скрепления катушек используют стеклопластик. 7. Нагреватель по любому из пп.1 5, отличающийся тем, что в качестве электроизоляционного материала для скрепления катушек используют электроизоляционный материал на основе резины или пластичных полимеров.