УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО НАГРЕВА СТЕНОК КОТЛА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ЦИСТЕРНЫ ПРИ СЛИВЕ ВЯЗКОГО ПРОДУКТА В ХОЛОДНОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 1999 года по МПК B65G69/20 

Изобретение относится к области погрузочно-разгрузочных работ на железнодорожном транспорте, в частности к устройствам для выгрузки вязкого продукта, например, нефтепродукта в холодном состоянии из котла железнодорожной цистерны путем слива и зачистки последнего при одновременном нагреве переменным электромагнитным полем.

Известно устройство для индукционного нагрева плоских поверхностей [1]. Устройство состоит из обмотки, одного Ш-образного магнитопровода, набранного из листов электротехнической стали, теплового экрана и несущих элементов. При установке устройства на котел железнодорожной цистерны стержни его Ш-образного магнитопровода прилегают к нагреваемой поверхности котла, а обмотка отделена от этой поверхности тепловым экраном.

Недостатками данного устройства являются:
1. Неравномерность нагрева поверхности котла железнодорожной цистерны, обусловленная использованием единого Ш-образного магнитопровода. Часть нагреваемой поверхности котла в зоне среднего стержня магнитопровода имеет худшие условия теплоотвода и ее температура может существенно превышать температуру на периферии. Допустимый диапазон температур поверхности котла ограничен: верхний уровень определяется пожароопасностью вязкого продукта или изменением его качества, а нижний - условием существенного снижения его вязкости.

2. Пониженные энергетические показатели устройства при нагреве поверхностей котлов различной кривизны и имеющих местные выступы (сварочные швы и др.). Это вызывается использованием единого Ш-образного магнитопровода и появлением значительных немагнитных зазоров между полюсами магнитопровода и нагреваемой поверхностью котла.

3. Повышенный расход электроэнергии при работе устройства из-за удаленности обмотки от нагреваемой поверхности котла на толщину теплового экрана. С одной стороны, это приводит к необходимости увеличения магнитодвижущей силы обмотки, а с другой - к потерям в обмотке, без пользы рассеивающимся в атмосферу.

Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство для индукционного низкотемпературного нагрева стенок котла железнодорожной цистерны [2], содержащее пространственную раму, в которой установлен индуктор в виде обмотки и магнитопровода, и тепловой экран. Магнитопровод выполнен распределенным из пакетов П-образной формы, причем каждый пакет охватывает с возможностью возвратно-поступательного перемещения сторону обмотки, обращен полюсами к рабочей поверхности устройства и подпружинен со стороны, обратной полюсам, относительно рамы. Тепловой экран охватывает индуктор и закреплен на раме на наружной нерабочей поверхности устройства. Кроме того, обмотка индуктора установлена заподлицо с рабочей поверхностью устройства.

Недостатками данного устройства являются:
1. Выступание полюсов пакетов магнитопровода над рабочей поверхностью под действием подпружинивающих элементов при выключенном устройстве. Это существенно затрудняет установочные перемещения устройства вдоль поверхности котла цистерны и увеличивает габарит (толщину) устройства.

2. Расположение обмотки индуктора заподлицо с рабочей поверхностью устройства вызывает опасность механического повреждения корпусной изоляции обмотки .

3. Наличие теплового экрана, охватывающего индуктор и закрепленного на раме на наружной нерабочей поверхности устройства, приводит к нежелательному повышению нагрева обмотки индуктора и накоплению в устройстве смеси вязкого продукта с грязью, попадающей с поверхности котла цистерны. В нерабочий период на холоде эта смесь застывает, и пакеты магнитопровода теряют подвижность.

Задачей настоящего решения является улучшение эксплуатационных свойств устройства и повышение его надежности.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого решения, заключается в облегчении установочных перемещений устройства вдоль поверхности котла цистерны, снижении опасности механического повреждения корпусной изоляции обмотки индуктора и потери подвижности пакетов магнитопровода, уменьшении расхода обмоточного провода и массы устройства.

Поставленная задача решается тем, что устройство для индукционного низкотемпературного нагрева стенок котла, содержащее пространственную раму с установленным в ней индуктором, состоящим из обмотки и магнитопровода, выполненного распределенным в виде охватывающих обмотку пакетов П-образных ферромагнитных элементов, обращенных полюсами к рабочей поверхности устройства, отличается тем, что П-образные пакеты магнитопровода установлены с возможностью свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности устройства, причем длина полюсов магнитопровода не превышает расстояния от рабочей поверхности устройства до обращенной к ней поверхности рамы и не может быть меньше названного расстояния на величину, превышающую толщину обмотки, при этом со стороны рабочей поверхности рама закрыта защитным неэлектропроводным экраном, в котором выполнены отверстия, число и расположение которых соответствует числу и местонахождению полюсов магнитопровода, а их размеры обеспечивают свободный проход полюсов через отверстия.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы решают следующие функциональные задачи.

Признак: "...П-образные пакеты магнитопровода установлены с возможностью свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности устройства . . ." - позволяет облегчить установочные перемещения устройства вдоль поверхности котла цистерны.

Признак: ". . . длина полюсов магнитопровода не превышает расстояния от рабочей поверхности устройства до обращенной к ней поверхности рамы ..." - позволяет при свободном возвратно-поступательном движении полюсов избавиться от выступания полюсов над рабочей поверхностью устройства.

Признак: "...длина полюсов магнитопровода ...не может быть меньше названного расстояния на величину, превышающую толщину обмотки, ... - позволяет удерживать полюсы магнитопровода охватывающими обмотку.

Признак: "...со стороны рабочей поверхности рама закрыта защитным неэлектропроводным экраном ..." - позволяет защитить обмотку индуктора от механических повреждений корпусной изоляции при установке устройства на котел цистерны.

Признак: "...в экране выполнены отверстия, число и расположение которых соответствует числу и местонахождению полюсов магнитопровода, а их размеры обеспечивают свободный проход полюсов через отверстия..." - позволяет полюсам выходить через отверстия в экране и касаться нагреваемой поверхности котла цистерны при включении устройства.

Предлагаемое решение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображен разрез секции индукционного устройства, на фиг. 2 - взаимное расположение катушки и пакетов магнитопровода индуктора (вид со стороны рабочей поверхности).

Индукционное устройство выполнено в виде модуля, состоящего из трех секций (фаз) и соединено шарнирно с последним звеном манипулятора. Каждая секция состоит из пространственной рамы 1, внутри которой размещена обмотка 2 индуктора и магнитопровод, выполненный распределенным из пакетов 3 П-образной формы, охватывающих обмотку 2. Со стороны рабочей поверхности устройство закрыто защитным экраном 4. Устройство снабжено температурными датчиками 5, установленными на уровне рабочей поверхности устройства. Причем датчики 5 одной стороной соприкасаютоя с обмоткой 2, а другой - с нагреваемой поверхностью 6 котла цистерны.

Устройство работает следующим образом.

Модули накладывают с помощью манипуляторов на нижние нагреваемые поверхности 6 котла цистерны. Включают обмотки 2 под напряжение. Пакеты 3 магнитопровода притягиваются к поверхности 6 котла цистерны под действием электромагнитных сил, выходя полюсами через отверстия в защитном экране. Индукторы возбуждают в толще стенок котла цистерны вихревые токи, энергия которых превращается в тепловую. Стенкам котла передается также часть тепла, выделяющегося в обмотках индуктора в виде джоулевых потерь. В результате пульсации электромагнитных сил взаимодействия индуктора и котла цистерны возникает умеренная вибрация, действующая с двойной частотой питающего напряжения. После достижения заданной температуры на поверхности 6 котла цистерны происходит отключение обмотки 2 по сигналу температурных датчиков 5. При отключении обмотки 2 пакеты 3 магнитопровода опускаются под действием собственного веса на раму устройства. После некоторого снижения температуры нагреваемой поверхности 6 обмотки 2 вновь включаются под напряжение по сигналам датчиков 5, и цикл повторяется многократно. По завершении слива и зачистки цистерны модуль отключают от источника напряжения и отводят в нерабочее положение с помощью манипулятора. При этом пакеты 3 магнитопровода опускаются на раму устройства под действием собственного веса, не выступают над рабочей поверхностью устройства и не мешают перемещению устройства по поверхности котла.

Проведены натурные испытания комплекта оборудования, состоящего из пяти одинаковых индукционных устройств, установленных на манипуляторах. Каждое устройство выполнено из трех секций, обмотки которых подключались к промышленной сети. Четыре устройства были установлены на самой нижней части поверхности котла четырехосной цистерны, а пятое устройство - на нижней боковой поверхности котла вблизи сливного прибора. В котле цистерны находился мазут марки М-100. Активная мощность, потребляемая одним устройством, составила 5 кВт. Температурные датчики были настроены на подачу отключающего сигнала при 95^oC. Приблизительно через 30 минут началось автоматическое неодновременное выключение и включение устройств по сигналам температурных датчиков. Общая площадь нагрева поверхности котла цистерны с температурой не ниже 40^oC составила около 5 кв.м при температуре окружающей среды -12^oC и ветре 8 м/с. Общее время нагрева, cлива и зачистки цистерны составило 6 час. Осмотр внутренней поверхности котла цистерны показал разогрев ее стенок в зоне расположения устройств, а также воздуха внутри котла цистерны. На остальных частях внутренней поверхности цистерны наблюдались небольшие потеки мазута; толщина слоя мазута возле горловины сливного прибора не превышала 8 мм.

Таким образом, использование предлагаемого устройства приводит к следующим результатам:
- устройство легко скользит по поверхности цистерны и устанавливается в любом свободном месте котла цистерны, в том числе на самой нижней части над продольной балкой;
- удельные (на единицу мощности) значения объема и массы устройства снижены почти вдвое, так как при отсутствии теплового экрана существенно улучшились условия охлаждения обмотки индуктора;
- в устройстве практически не накапливается смесь вязкого продукта с грязью за счет отсутствия теплового экрана, поэтому пакеты магнитопровода остаются подвижными даже на морозе;
- корпусная изоляции обмотки индуктора надежно защищена от механического повреждения.

Данное устройство может быть применено для нагрева различных типов цистерн, оно уменьшает время слива вязкого продукта, повышает качество зачистки внутренних стенок котла цистерны и улучшает экологическую обстановку.

Источники информации.

1. Кувалдин А. Б. Низкотемпературный индукционный нагрев стали.- М.: Энергия, 1976, с.53 -34.

2. Патент РФ N 2014280, В 67 D 5/00 Способ слива вязкого продукта в холодном состоянии из котла железнодорожной цистерны и устройство для индукционного низкотемпературного нагрева стенок котла железнодорожной цистерны. Киншт Н.В., Полтавцев О.В., Сергеев В.Д., Сыпков В.А., Кац М.А.

Устройство содержит раму, в которой установлен индуктор в виде обмотки и магнитопровода. Магнитопровод выполнен из пакетов П-образной формы, охватывающих обмотку и способных совершать свободные возвратно-поступательные перемещения. Длина полюсов магнитопровода не превышает расстояния от рабочей поверхности устройства до обращенной к ней поверхности рамы и не может быть меньше названного расстояния на величину, превышающую толщину обмотки. Со стороны рабочей поверхности рама закрыта защитным неэлектропроводным экраном, в котором выполнены отверстия, число и расположение которых соответствует числу и местонахождению полюсов магнитопровода, размеры отверстий обеспечивают свободный проход полюсов через них. Технический результат - облегчение установочных перемещений устройства вдоль котла цистерны, снижение опасности механического повреждения корпусной изоляции обмотки индуктора и потери подвижности пакетов магнитопровода, уменьшает расход обмоточного провода и массы устройства. 2 ил.

Устройство для индукционного низкотемпературного нагрева стенок котла железнодорожной цистерны при сливе вязкого продукта в холодном состоянии, содержащее пространственную раму с установленным в ней индуктором, состоящим из обмотки и магнитопровода, выполненного распределенным в виде охватывающих обмотку пакетов П-образных ферромагнитных элементов, обращенных полюсами к рабочей поверхности устройства, отличающееся тем, что П-образные пакеты магнитопровода установлены с возможностью свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности и обратно, причем длина полюсов пакетов магнитопровода не превышает расстояния от рабочей поверхности устройства до обращенной к ней поверхности рамы и не может быть меньше названного расстояния на величину, превышающую толщину обмотки, при этом со стороны рабочей поверхности рама закрыта защитным неэлектропроводным экраном, в котором выполнены отверстия, число и расположение которых соответствуют числу и местонахождению полюсов магнитопровода, а их размеры обеспечивают свободный проход полюсов через отверстия.