НАГРЕВАТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ С МИНЕРАЛЬНОЙ ИЗОЛЯЦИЕЙ, РАБОТАЮЩИЙ ПО ПРИНЦИПУ СКИН-ЭФФЕКТА Российский патент 2014 года по МПК H05B6/10 

бласть техники

Настоящее изобретение в целом относится к электрическим нагревательным кабелям, а в частности, к нагревательным кабелям с неорганической керамической изоляцией, использующим скин-эффект и содержащим, по меньшей мере, одну токопроводящую жилу-сердечник, расположенную внутри оболочки, при этом электрический ток проходит в прямом направлении по этой центральной жиле, а в обратном направлении - по поверхностному слою оболочки, в результате чего происходит выделение тепла.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение включает нагревательное устройство, содержащее компонент, работающий на основе скин-эффекта, с по меньшей мере одной изолированной токопроводящей жилой-сердечником, соединенной электрически с расположенной вблизи практически параллельной оболочкой удлиненной формы из ферромагнетика, имеющей эффективный токопроводящий путь, проходящий по уменьшенной и локализованной по глубине и ширине части поперечного сечения ферромагнитной стенки, а также неорганический керамический изолирующий компонент. В предпочтительном варианте неорганический керамический изолирующий компонент содержит оксид магния.

Настоящее изобретение также включает способ нагревания, включающий этап обеспечения нагревательного устройства, содержащего компонент, работающий на скин-эффекте, по меньшей мере с одной электропроводящей жилой-сердечником, соединенной электрически с расположенной вблизи, практически параллельно, удлиненной формой из ферромагнетика, имеющей эффективный токопроводящий путь, проходящий по уменьшенной и локализованной по глубине и ширине части поперечного сечения ферромагнитной стенки, и неорганический керамический изолирующий компонент, а также этап пропускания электрического тока по токопроводящему сердечнику, вызывающего нагревание ферромагнитной формы.

Целью настоящего изобретения является разработка нагревателя с минеральной изоляцией, работающего с использованием скин-эффекта.

Еще одной целью настоящего изобретения является разработка нагревателя с минеральной изоляцией, работающего с использованием скин-эффекта и приспособленного для применения в области добычи нефти.

Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут понятными из поданного ниже описания и чертежей некоторых вариантов настоящего изобретения, представленных в качестве иллюстрации воплощений данного изобретения. Сопутствующие чертежи составляют часть данного описания и содержат представленные в качестве примера варианты исполнения настоящего изобретения и иллюстрируют различные цели и особенности его.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлен вид в перспективе с частичным разрезом, иллюстрирующий один из вариантов воплощения настоящего изобретения;

на фиг.2 представлен вид в перспективе с частичным разрезом, иллюстрирующий один из вариантов воплощения настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов исполнения изобретения

Следует понимать, что поданные в данном описании различные варианты воплощения изобретения с сопроводительными чертежами следует рассматривать только как примеры его воплощения, не имеющие целью ограничить данное изобретение только конкретно представленными вариантами воплощения.

На фиг.1 и 2 в целом представлен предпочтительный вариант изготовления нагревателя с минеральной изоляцией, работающего с использованием скин-эффекта согласно данному изобретению. Нагреватель 10 на скин-эффекте с минеральной изоляцией может содержать внутреннюю токопроводящую жилу-сердечник 12, расположенную внутри наружного проводника 14. Внутренний и наружный проводники могут располагаться радиально относительно центральной оси 16. Внутренний и наружный проводники могут быть отделены друг от друга изолирующим слоем 18. В некоторых вариантах воплощения внутренний и наружный проводники могут быть соединены друг с другом на дистальном конце 20 нагревателя. Электрический ток может проходить в нагреватель 10 по внутреннему проводнику 12, а возвращаться по наружному проводнику 14, или наоборот. Один из проводников 12, 14 (или оба) может содержать ферромагнитный материал.

В одном варианте воплощения нагреватель 10 на скин-эффекте с минеральной изоляцией содержит внутренний ферромагнитный проводник 12 и наружный ферромагнитный проводник 14, при этом обусловленный скин-эффектом токопроводящий путь располагается на внешней поверхности внутреннего проводника и на внутренней поверхности наружного проводника. Поэтому наружную поверхность наружного проводника можно покрыть слоем устойчивого к коррозии сплава 22, например нержавеющей сталью, не оказывая влияния на обусловленный скин-эффектом токопроводящий путь внутри наружного проводника.

Изолирующий слой 18 может содержать электрически изолирующую керамику с высокой теплопроводностью, например оксид магния, оксид алюминия, двуокись кремния, оксид бериллия, нитрид бора, нитрид кремния и тому подобное. Наиболее предпочтительным материалом из этого перечня является оксид магния. Изолирующий слой может представлять собой прессованный порошок (например, прессованный керамический порошок). Прессование может улучшать теплопроводность и повышать сопротивление изоляции; в наиболее предпочтительном (не ограничивающем) варианте воплощения степень уплотнения составляет приблизительно 80%. Следует также заметить, что можно применять и другие значения степени уплотнения, не выходя за пределы объема настоящего изобретения.

В общем, электрически изолированная проводящая жила-сердечник пропускает переменный ток (АС) по одной ветви цепи, а в обратном направлении переменный ток проходит по расположенной в непосредственной близости к сердечнику и параллельной ему удлиненной форме из ферромагнетика, образующей обратную ветвь цепи. Скин-эффект на локализованном участке поверхности ферромагнитной формы или проводника, наиболее приближенном к сердечнику, обусловлен индукцией и магнитным взаимодействием и приводит к выделению тепла.

В способе нагревания, обусловленном скин-эффектом, тепло выделяется в стенке ферромагнитной оболочки за счет потери I~R обратного тока, а также за счет гистерезиса и вихревых токов, индуцируемых переменным магнитным полем, созданным вокруг изолированного проводника.

Электромагнитное взаимодействие между током в изолированном сердечнике и обратным током в наружной оболочке приводит к тому, что вследствие скин-эффекта ток концентрируется на внутренней поверхности оболочки, отсюда и название - нагревательный кабель на скин-эффекте. Этот эффект будет тем сильнее, чем ближе оболочка будет находиться к жиле-сердечнику (это называется эффектом близости).

Близкое расположение этих двух проводников, осуществляющих пропускание тока в прямом и обратном направлениях, а также надлежащее электромагнитное экранирование еще больше усиливают эти эффекты, являющиеся основой предпочтительной системы по настоящему изобретению. Переменный ток проходит только по поверхностному слою удлиненного проводника из ферромагнитного материала, работающего в этих условиях как очень специфический проводник.

В качестве не ограничивающего примера можно рассмотреть трубу из ферромагнитного материала, минимальная толщина стенки которой приблизительно в три раза превышает глубину скин-слоя или составляет приблизительно 1/8 дюйма с отклонениями в положительную или отрицательную сторону для различных ферромагнитных материалов и частот переменного тока. Переменный ток может проходить до дальнего торца трубы по смежному, расположенному внутри и изолированному проводу, соединенному с внутренней стенкой трубы на ее дальнем конце. Вследствие явления, называемого «скин-эффектом», значительная часть переменного тока проходит в обратном направлении по той части внутренней поверхности или по скин-слою трубы, которая расположена максимально близко к внутреннему проводнику и параллельно ему. Этот слой стальной поверхности, выделенный из проводника, становится тем, что можно назвать проводником/резистором на скин-эффекте. Остальная часть поверхности трубы предназначена для практических целей и эффективно изолирована электрически от любого объекта, контактирующего с ней. Такое значительное уменьшение нормальной эффективной площади поперечного сечения электрического проводника (которое обычно является полным поперечным сечением трубы) значительно увеличивает эффективное сопротивление проводника, которое в других условиях было бы полным сопротивлением поперечного сечения. Наружная стенка трубы фактически является не проводящей, и трубу можно заземлять или даже прикасаться к ней, не получая удара током.

Следует заметить, что перемещение проводника по отношению к ферромагнитному материалу может изменить эффект близости, сопротивление трубы и количество выделяемого тепла. Поэтому для того, чтобы установить проводящую жилу-сердечник в нужное положение по отношению к ферромагнитной возвратной ветви цепи, можно применять приспособление для центровки или центратор. Такое приспособление для центровки или центратор также может обеспечить жиле-сердечнику нужные изоляционные свойства, позволяя пропускать по цепи более высокие значения тока без возникновения дугового пробоя между жилой-сердечником и возвратной ветвью. В сочетании с изоляторами керамического типа можно применять инертные газы, что позволит дополнительно повысить изоляционные свойства.

Материалы для нагревателя можно выбирать так, чтобы улучшить физические свойства нагревателя. Например, материалы для нагревателя можно выбрать такими, чтобы внутренние слои при повышении температуры расширялись сильнее, чем наружные слои, что в результате приведет к уплотненной конструкции. Наружный слой нагревателя может быть устойчивым к коррозии. Конструктивную прочность можно обеспечить, выбрав материал для наружного слоя, обладающий высоким сопротивлением ползучести, или выбрав толстостенную трубу. Для предотвращения миграции металла по нагревателю можно включить различные непроницаемые слои.

В качестве указанной проводящей формы из ферромагнитного материала чаще можно применять трубу, а рабочей (нагреваемой) текучей средой может быть прокачиваемая сквозь трубу жидкость, однако, в других случаях стальная форма может отличаться от трубной, например быть планарной, конической, сфероидальной и т.п., а рабочая текучая среда может не проходить сквозь нее, а нагреваться в результате контакта с ней.

Нагреватели на скин-эффекте с минеральной изоляцией согласно настоящему изобретению можно широко использовать, включая, но не ограничиваясь, для плавления снега и льда, подогрева трубопроводов (как наземных, так и подводных), а также применять для добычи нефти, включая подогрев вертикальной скважины, подогрев забоя скважины, подогрев горизонтальной скважины и стимуляцию резервуара.

Некоторые варианты исполнения нагревателей могут содержать выключатели (например, предохранители и/или термостаты и/или термисторы и/или тиристоры), отключающие или уменьшающие подачу питания к нагревателю или к участкам нагревателя в том случае, когда в нагревателе достигнуты определенные условия. В некоторых вариантах воплощения нагреватель на скин-эффекте можно применять для подачи тепла в углеводородсодержащий пласт. В одном варианте воплощения управление работой нагревательного кабеля на скин-эффекте и наблюдение за его работой осуществляется с помощью регулятора в замкнутой цепи обратной связи, содержащей терморегуляторы и пускатели. В другом варианте воплощения может применяться волоконно-оптическое устройство контроля температуры. Такие системы можно объединить в единый орган управления работой нагревателя на скин-эффекте, применяющий алгоритмы контроля от одной до нескольких сотен точек данных от термочувствительных элементов, расположенных в цепи нагревателя. В некоторых вариантах воплощения волоконно-оптические кабели и/или датчики могут быть встроены внутри нагревательного кабеля. В другом варианте исполнения для регулирования генерируемого тепла можно применять датчики давления, реагирующие на давление в окружающей нагреватель среде.

В некоторых вариантах воплощения для изменения глубины скин-слоя ферромагнитного материала можно регулировать частоту переменного тока. Например, глубина скин-слоя углеродистой стали с содержанием углерода 1% при комнатной температуре составляет приблизительно 0,11 см при частоте 60 Гц, приблизительно 0,07 см при 180 Гц и приблизительно 0,04 см при 440 Гц. Поскольку в типичном случае толщина наружного ферромагнитного проводника в три раза превышает глубину скин-слоя, то за счет увеличения частоты можно получить нагреватель меньшего размера и снизить стоимость оборудования. Диапазон применимых частот составляет приблизительно от 50 до 1000 Гц.

В некоторых вариантах воплощения для достижения оптимальной глубины скин-слоя можно регулировать силу тока в ферромагнитном материале. Меньшая глубина скин-слоя может позволить применять нагреватель с меньшими размерами, тем самым снижая стоимость оборудования. В некоторых вариантах исполнения диапазон пропускаемого тока может составлять, по меньшей мере, приблизительно от 10 до 500 А или больше. В некоторых вариантах исполнения переменный ток может проходить при подаче напряжения со значениями приблизительно до 2500 В или выше.

Согласно фигурам 1 и 2 в некоторых из описанных здесь вариантов воплощения размеры нагревателей на скин-эффекте с минеральной изоляцией подобраны для работы на частоте приблизительно 60 Гц. Следует понимать, что для обеспечения надлежащей работы нагревателя на скин-эффекте при других частотах аналогично описанному выше, размеры нагревателя на скин-эффекте можно подобрать отличающимися от описанных здесь.

Нагреватель на скин-эффекте с минеральной изоляцией по настоящему изобретению обладает очень высокой выходной мощностью по сравнению с существующими видами электрических нагревательных кабелей, что позволяет одним нагревателем обеспечить достаточную мощность для применения в случаях с высоким расходом текучей среды. Обычно нагреватель представляет собой прочную конструкцию, например, в таких вариантах воплощения, в которых наружные поверхности представлены стенкой из прочной стали. В другом воплощении, установку нагревателя на скин-эффекте с минеральной изоляцией, изготовленного в виде стержня, можно выполнить с помощью существующего оборудования для труб в бухтах, что позволить уменьшить расходы на установку. С помощью оборудования для труб в бухтах можно легко установить нагреватель на скин-эффекте с минеральной изоляцией внутрь нефтяной или газовой трубы, достигая тем самым максимальной теплопередачи от нагревателя к текучей среде. Благодаря скин-эффекту одним кабелем можно образовать полную электрическую нагревательную цепь, в то время как в других видах нагревателей для этого может потребоваться 2 или 3 кабеля.

В некоторых вариантах исполнения ферромагнитные материалы можно соединять с другими материалами (например, с неферромагнитными материалами и/или материалами с высокой электропроводностью, например с медью) для получения различных электрических и/или механических свойств. Некоторые части нагревателя на скин-эффекте могут иметь более низкое сопротивление (вследствие различий в геометрических размерах и/или вследствие применения различных ферромагнитных и/или неферромагнитных материалов), чем другие части этого же нагревателя на скин-эффекте. Изготовление различных частей нагревателя на скин-эффекте из различных материалов и/или с различными размерами может позволить сформировать требуемые значения выходной теплоты в каждой части нагревателя.

Здесь описана конкретная форма исполнения настоящего изобретения, однако следует понимать, что оно не ограничивается описанными и показанными здесь конкретными формой или компоновкой. Для квалифицированных специалистов в данной области будут очевидны возможные изменения, которые можно выполнить не выходя за рамки объема настоящего изобретения, а само изобретение не ограничивается описанным и показанным в данном описании.

Нагревательный кабель относится к электрическим нагревательным кабелям, в частности к нагревательным кабелям, работающим на скин-эффекте, снабженным неорганической керамической изоляцией. Нагревательный кабель содержит, по меньшей мере, одну токопроводящую жилу-сердечник, находящуюся внутри ферромагнитной формы. Электрический ток проходит по токопроводящей жиле-сердечнику в прямом направлении, а возвращается по поверхностному слою оболочки в обратном направлении, приводя к выделению тепла. При этом жила-сердечник отделена от ферромагнитной формы посредством приспособления для центровки. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нагревательное устройство, содержащее:
компонент, работающий на скин-эффекте и содержащий по меньшей мере одну токопроводящую жилу-сердечник, электрически соединенную с вытянутой ферромагнитной формой, расположенной в непосредственной близости и по существу параллельно и имеющей эффективный токопроводящий путь, проходящий по уменьшенной и локализованной по глубине и ширине части поперечного сечения ферромагнитной формы;
указанная по меньшей мере одна токопроводящая жила-сердечник электрически соединена на дистальном конце с ферромагнитной формой, причем указанная по меньшей мере одна токопроводящая жила-сердечник отделена от ферромагнитной формы посредством приспособления для центровки; и
неорганический керамический изолирующий компонент.

2. Нагревательное устройство по п.1, в котором неорганический керамический изолирующий компонент содержит оксид магния.

3. Способ нагревания, характеризующийся тем, что
обеспечивают нагревательное устройство, содержащее компонент, работающий на скин-эффекте и содержащий по меньшей мере одну токопроводящую жилу-сердечник, электрически соединенную с вытянутой ферромагнитной формой, расположенной в непосредственной близости и практически параллельно и имеющей эффективный токопроводящий путь, проходящий по уменьшенной и локализованной по глубине и ширине части поперечного сечения ферромагнитной формы, указанная по меньшей мере одна токопроводящая жила-сердечник электрически соединена на дистальном конце с ферромагнитной формой, причем указанная по меньшей мере одна токопроводящая жила-сердечник отделена от ферромагнитной формы посредством приспособления для центровки, нагревательное устройство также содержит неорганический керамический изолирующий компонент; и
через токопроводящую жилу-сердечник пропускают электрический ток, тем самым нагревая ферромагнитную форму.