НАГРЕВАТЕЛЬ ИНДУКЦИОННЫЙ Российский патент 2025 года по МПК H05B6/10 H05B6/36 

Техническое решение относится к устройствам нагревателей индукционного типа и может быть использовано в различных технологических процессах для нагревания выполненных из ферромагнитных материалов стенок различных сосудов, таких, например, как химические реакторы, емкости, цистерны, трубопроводы и т.п.

Из описания полезной модели «Устройство для индукционного нагрева стенок емкостей, трубопроводов и арматуры со сложным движением элементов магнитопровода» к патенту RU 34839 U1, (МПК H05B 6/02 (2000.01), опубликовано 10.12.2003) известно техническое решение устройства для индукционного нагрева стенок емкостей, трубопроводов и арматуры. Упомянутое техническое решение устройства принято в качестве ближайшего аналога заявляемого технического решения. Известное устройство, ближайший аналог, содержит пространственную раму с установленным в ней индуктором, состоящим из обмотки и магнитопровода. Магнитопровод выполнен распределенным в виде охватывающих обмотку П-образных ферромагнитных элементов, обращенных полюсами к рабочей поверхности устройства и установленных с возможностью свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности и обратно. При этом для обеспечения вибровзаимодействия полюсов с нагреваемой стенкой магнитопровод подпружинен относительно рамы. Со стороны рабочей поверхности рама закрыта защитным неэлектропроводным экраном, в котором выполнены отверстия. Число и расположение отверстий соответствует числу и местонахождению полюсов элементов магнитопровода, а их размеры обеспечивают свободный проход полюсов через отверстия. При этом размеры отверстий в защитном экране и зазоры между обмоткой и элементами магнитопровода дополнительно определяют степень возможных отклонений (предельные углы поворота или наклона) от направления свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности и обратно при посадке элементов магнитопровода на нагреваемую поверхность. Недостаток технического решения ближайшего аналога заключается в его низкой надежности. Это обусловлено тем, что обмотка довольно слабо зафиксирована, поскольку в зазорах между обмоткой и охватывающим обмотку П-образным магнитопроводом практически нет креплений. Вместе с этим, процесс нагревания устройством ближайшего аналога предполагает плотный контакт полюсов магнитопровода с нагреваемой поверхностью, что способствует перегреву магнитопровода и обмотки и, соответственно, быстрой потери работоспособности устройства в целом. Вместе с этим, в устройстве ближайшего аналога магнитопровод установлен с возможностью свободного возвратно-поступательного движения от рамы к рабочей поверхности и обратно, с тем, чтобы в процессе нагревания полюса находились в контакте с нагреваемой стенкой. Для этого в устройстве ближайшего аналога магнитопровод подпружинен относительно рамы. Наличие в устройстве ближайшего аналога подвижных элементов и механизмов, обеспечивающих их движение, повышают вероятность отказов в работе устройства для нагревания в целом. Вместе с этим, возвратно-поступательные и, что особенно, одновременно наклонные по отношению к поверхности экрана движения магнитопровода сквозь отверстия в защитном экране создают большую вероятность повреждения экрана, а также, способствуют более быстрому его износу из-за возможного трения между магнитопроводом и экраном. Также такие движения магнитопровода не исключают его чрезмерный наклон и, как следствие, застревание в отверстиях экрана, то есть, несрабатывание устройства. Все указанные недостатки обуславливают низкую надежность устройства ближайшего аналога. Также, наличие в устройстве ближайшего аналога движущихся элементов и устройств, обеспечивающих их движение, усложняет техническое обслуживание устройства в целом. Кроме этого, очевидно, что в устройстве ближайшего аналога размеры отверстий в защитном экране и зазоры между обмоткой и элементами магнитопровода позволяют магнитопроводу отклоняться (наклоняться или поворачиваться) от направления его свободного движения лишь в очень небольшой степени. Поэтому устройство ближайшего аналога позволяет нагревать только те участки стенок, которые имеют небольшую кривизну поверхности. Это ограничивает область применения устройства ближайшего аналога.

Технические проблемы, на решение которых направлено заявленное техническое решение, заключаются в повышении надежности нагревателя, упрощение технического обслуживания нагревателя, а также в расширении области применения нагревателя.

Указанные технические проблемы решаются тем, что в нагревателе для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда, содержащем раму и индуктор, который содержит индукционную обмотку и магнитопровод, причем магнитопровод выполнен П-образной формы и, таким образом, имеет среднюю часть и две боковые части, каждая из которых оканчивается полюсным торцом, при этом упомянутый нагреватель выполнен с возможностью его установки в положение, когда упомянутые полюсные торцы магнитопровода обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, а также, с возможностью подключения индукционной обмотки к источнику переменного тока, согласно заявляемому техническому решению магнитопровод жестко закреплен на раме, индукционная обмотка размещена на магнитопроводе неподвижно и таким образом, что индукционная обмотка охватывает магнитопровод, а при установке упомянутого нагревателя в положение, когда упомянутые полюсные торцы обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, между каждым полюсным торцом и нагреваемой стенкой имеется зазор, при этом поверхность каждого полюсного торца имеет хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки.

В заявляемом техническом решении нагревателя индукционная обмотка размещена на магнитопроводе неподвижно и таким образом, что индукционная обмотка охватывает магнитопровод, при этом магнитопровод жестко закреплен на раме. То есть, в заявляемом нагревателе рама, магнитопровод и индукционная обмотка установлены неподвижно относительно друг друга. В сравнении с ближайшим аналогом данное решение существенно повышает жесткость и устойчивость конструкции нагревателя в целом, что является техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя. Данный технический результат обеспечивает повышение надежности нагревателя.

Также данное решение, при котором рама, магнитопровод и индукционная обмотка установлены неподвижно относительно друг друга, соответственно исключает наличие в нагревателе подвижных элементов и механизмов, обеспечивающих их движение. Это, в свою очередь, исключает наличие трения элементов нагревателя друг о друга и возникновение повреждений в процессе работы нагревателя. Это существенно повышает вероятность и длительность безотказной работы нагревателя, что является еще одним техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя. Данный технический результат также обеспечивает повышение надежности нагревателя, а также, упрощает техническое обслуживание и ремонт нагревателя.

В заявляемом техническом решении нагревателя при установке нагревателя в положение, когда упомянутые полюсные торцы обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, между каждым полюсным торцом и нагреваемой стенкой имеется зазор. Данное решение уменьшает степень нагрева магнитопровода от уже нагретой стенки сосуда и, соответственно, снижает вероятность перегрева как магнитопровода, так и обмотки и, как следствие, снижает вероятность возникновения сбоя в работе нагревателя, что является еще одним техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя. Данный технический результат также обеспечивает повышение надежности нагревателя.

Вместе с этим, при рабочем положении нагревателя, когда полюсные торцы обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, а между каждым полюсным торцом и нагреваемой стенкой имеется зазор, в заявляемом нагревателе поверхность каждого полюсного торца имеет хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки. Выполнение данного условия позволяет ввести магнитный поток в нагреваемую стенку при различной ориентации ее поверхности (на участках, к которым обращены и приближены полюсные торцы) по отношению к соответствующим боковым частям магнитопровода. При этом становится возможным максимально уменьшить или исключить потери магнитного потока, обусловленные упомянутой взаимной ориентацией поверхности нагреваемой стенки и боковых частей магнитопровода. В свою очередь, такая возможность способствует уменьшению потребляемого нагревателем тока и, соответственно, уменьшению нагрева обмотки, что также положительно влияет на надежность нагревателя.

Вместе с этим, в сравнении с ближайшим аналогом, заявляемое техническое решение не ограничивает длину боковых частей магнитопровода, а позволяет выполнить боковые части магнитопровода различной длиной и одновременно с выполнением того условия, чтобы при использовании нагревателя полюсные торцы магнитопровода были обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки. За счет такой возможности и в совокупности с тем решением, что поверхность каждого полюсного торца должна иметь хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки, заявляемое техническое решение нагревателя позволяет нагревать стенку, имеющую различную ориентацию по отношению к боковым частям магнитопровода и различную кривизну, в том числе кривизну в достаточно большой степени. То есть, в отличие от ближайшего аналога заявляемое техническое решение нагревателя позволяет нагревать стенку сосуда, имеющую кривизну различной степени, - как малую, так и большую, что является еще одним техническим результатом, достигаемым заявленным техническим решением нагревателя. Данный технический результат расширяет область применения нагревателя.

В частном случае выполнения заявляемого технического решения нагревателя магнитопровод может быть выполнен в виде пакета пластин.

В частных случаях выполнения заявляемого технического решения нагревателя индукционная обмотка может охватывать магнитопровод, по меньшей мере, на одной его боковой части и/или на его средней части.

В частном случае выполнения нагреватель может дополнительно содержать защитный экран, который защищает обмотку от внешнего теплового излучения. Это позволяет дополнительно уменьшить вероятность перегрева обмотки.

На фигуре 1 изображен общий вид нагревателя для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда в одном из вариантов его выполнения. На фигуре 2 показан пример размещения нескольких, выполненных по показанному на фигуре 1 варианту выполнения, нагревателей для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда относительно нагреваемой стенки сосуда. На фигуре 3 показан вариант взаимного расположения четырех, выполненных по показанному на фигуре 1 варианту выполнения, нагревателей (вид сверху) при их использовании для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда, показанной в примере на фигуре 2.

Нагреватель для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда в одном из вариантов его выполнения (фиг. 1, фиг.2, фиг.3) содержит раму 1, защитный экран 2 и индуктор (на фиг. не обозначено). Индуктор содержит индукционную обмотку 3 и магнитопровод 4. Магнитопровод 4 выполнен П-образной формы и, таким образом, имеет среднюю часть 4а и две боковые части 4б. Каждая боковая часть 4б магнитопровода 4 оканчивается полюсным торцом 5. Магнитопровод 4 жестко закреплен на раме 1. Индукционная обмотка 3 размещена на магнитопроводе 4 неподвижно и таким образом, что индукционная обмотка 3 охватывает магнитопровод 4 на его средней части 4а и на одной из боковых частей 4б. Защитный экран 2 установлен таким образом, что он закрывает индукционную обмотку 3 с одной ее стороны. Нагреватель выполнен с возможностью подключения индукционной обмотки 3 к источнику переменного тока (на фиг. не показано).

На фигуре 2 показан пример размещения нескольких, выполненных по показанному на фигуре 1 варианту выполнения, нагревателей для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда относительно нагреваемой стенки 6 сосуда 7. В показанном примере сосуд 7 представляет собой химический реактор, а нагреваемая стенка 6 представляет собой стенку упомянутого химического реактора в области его днища, имеющего выпуклую форму. Таким образом, нагреваемая стенка 6 имеет выпуклую поверхность с довольно большой кривизной. В данном примере для нагревания стенки 6 сосуда 7 нагреватель размещен под стенкой 6. При этом нагреватель установлен в такое положение, что полюсные торцы 5 магнитопровода 4 обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки 6. При этом между каждым полюсным торцом 5 и нагреваемой стенкой 6 имеется зазор 7. При этом поверхность каждого полюсного торца 5 выполнена плоской и наклонной к продольной оси соответствующей боковой части 4б магнитопровода 4 таким образом, что поверхность каждого полюсного торца 5 имеет хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки 6. В показанном на фигуре 2 положении нагревателя защитный экран 2 установлен так, что он закрывает индукционную обмотку 3 с ее стороны, обращенной к нагреваемой стенке 6. Таким образом, защитный экран 2 защищает обмотку от внешнего, исходящего от нагреваемой стенки 6, теплового излучения.

На фигуре 3 показан вариант взаимного расположения четырех, выполненных по показанному на фигуре 1 варианту выполнения, нагревателей (вид сверху) при их использовании для индукционного нагревания стенки 6, показанной в примере на фиг. 2. В данном варианте четыре упомянутых нагревателя расположены так, что продольные оси средних частей 4а их магнитопроводов 4 расположены радиально по отношению друг к другу. Данное расположение нагревателей способствует более равномерному нагреванию стенки 6 сосуда 7 за счет создания в нагреваемой стенке 6 кругового индуцированного тока.

Заявляемое техническое решение нагревателя реализуют следующим образом. На предназначенной для нагревания стенке 6 сосуда 7 определяют участки, в области которых полюсные торцы 5 магнитопровода 4 должны быть обращены и приближены к поверхности стенки 6 для ее нагревания. Определяют места расположения полюсных торцов 5 относительно предназначенной для нагревания стенки 6 сосуда 7 как области пространства вблизи определенных участков на стенке 6. Соответственно местам расположения полюсных торцов 5 определяют рабочее положение нагревателя относительно стенки 6 сосуда 7 и габариты нагревателя. Исходя из конфигурации (формы) поверхности стенки 6 сосуда 7 в определенных местах расположения полюсных торцов 5, определяют и задают форму поверхности полюсных торцов 5. Например, поверхности полюсных торцов 5 определяют плоскими и наклоненными под некоторым углом по отношению к осям соответствующих боковых частей 4б магнитопровода 4. При этом углы наклона поверхностей полюсных торцов 5 определяют таким образом, чтобы при установке нагревателя в рабочее положение полюсные торцы 5 были обращены к поверхности нагреваемой стенки 6 и, при этом, поверхность каждого полюсного торца 5 имела хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки 6. Также, исходя из конфигурации (формы) поверхности стенки 6 в определенных местах расположения полюсных торцов 5, определяют длину каждой из боковых частей 4б магнитопровода 4 таким образом, чтобы при установке нагревателя в рабочее положение, когда полюсные торцы 5 обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки 6, между каждым полюсным торцом 5 и нагреваемой стенкой 6 имелся зазор 7. Посредством известных технических средств изготавливают нагреватель с определенными геометрическими и другими техническими параметрами. Изготавливают магнитопровод 4 П-образной формы, имеющим среднюю часть 4а и две боковые части 4б, каждая из которых оканчивается полюсным торцом. При этом магнитопровод 4 выполняют, например, в виде пакета пластин из электротехнической стали. Индукционную обмотку 3 размещают на магнитопроводе 4 неподвижно и таким образом, чтобы она охватывала магнитопровод 4, по меньшей мере, на одной из боковых частей 4б и/или на средней части 4а. Например, таким образом, что индукционная обмотка 3 охватывает магнитопровод 4 на его средней части 4а и на одной из боковых его частей 4б. Сборку магнитопровода 4 с индукционной обмоткой 3 крепят неподвижно на раму 1. Для этого, например, используют металлические пластины, одни концы которых неподвижно крепят к боковым поверхностям боковых частей 4б магнитопровода 4, а другие концы упомянутых пластин неподвижно крепят к раме 1. Из материала с малой магнитной проницаемостью, например, из коррозионностойкой стали, изготавливают защитный экран 2. При этом защитный экран 2 изготавливают такой формы и размера, чтобы при его монтаже на нагреватель и установке нагревателя в рабочее положение защитный экран 2 закрывал индукционную обмотку 3 с ее стороны, обращенной к нагреваемой стенке 6. Также предпочтительно, что при изготовлении защитного экрана 2 обеспечивают теплоотражающие свойства его поверхности со стороны, обращенной к нагреваемой стенке 6. Защитный экран 2 крепят на нагреватель. Изготовленный таким образом нагреватель устанавливают в предварительно определенное по отношению к нагреваемой стенке 6 положение, при котором полюсные торцы 5 магнитопровода 4 обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки 6 и, при этом, между каждым полюсным торцом 5 и нагреваемой стенкой 6 имеется зазор 7. Нагреватель используют по назначению, при этом его работу обеспечивают подключением индукционной обмотки 3 к источнику переменного тока. При протекании тока по индукционной обмотке 3 создается магнитный поток переменного направления, который направляется по боковым частям 4б магнитопровода 4, через зазоры 7 между полюсными торцами 5 и нагреваемой стенкой 6 вводится в стенку 6 и генерирует в ней вихревые токи, которые преобразуются в тепловую энергию, за счет чего стенка 6 нагревается. Для нагревания относительно больших участков стенки 6 сосуда 7 и/или для более равномерного ее нагрева, используют группу из нескольких, выполненных по заявленному техническому решению, нагревателей, которые располагают равномерно относительно друг друга и нагреваемого участка стенки 6 сосуда 7. Например, для нагревания округлого по периметру и выпуклого участка стенки 6 днища сосуда 7 используют, например, три или более нагревателей, которые располагают так, что продольные оси средних частей 4а их магнитопроводов 4 расположены радиально по отношению друг к другу. А, например, для нагревания участка стенки 6, имеющего цилиндрическую поверхность (например, боковой стенки цилиндрического сосуда), несколько нагревателей располагают в один или несколько рядов вдоль образующей упомянутой цилиндрической поверхности. При этом обеспечивают синхронную работу всех используемых нагревателей с тем, чтобы в нагреваемой стенке 6 индуцировался общий ток, охватывающий индукторы всех, ориентированных по кругу (в случае радиального расположения нагревателей) или в ряд (в случае расположения нагревателей в ряд), нагревателей.

Изобретение относится к устройствам нагревателей индукционного типа и может быть использовано в различных технологических процессах для нагревания выполненных из ферромагнитных материалов стенок различных сосудов, таких, например, как химические реакторы, емкости, цистерны, трубопроводы. Технический результат - повышение жесткости и устойчивости конструкции нагревателя в целом, повышение срока службы нагревателя, возможность нагревать стенку сосуда, имеющую кривизну различной степени. Нагреватель для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда содержит раму и индуктор, содержащий индукционную обмотку и магнитопровод. Магнитопровод выполнен П-образной формы и, таким образом, имеет среднюю часть и две боковые части, каждая из которых оканчивается полюсным торцом. Магнитопровод жестко закреплен на раме. Индукционная обмотка размещена на магнитопроводе неподвижно и таким образом, что индукционная обмотка охватывает магнитопровод. Нагреватель выполнен с возможностью его установки в положение, когда полюсные торцы магнитопровода обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки. В данном положении нагревателя между каждым полюсным торцом и нагреваемой стенкой имеется зазор, при этом поверхность каждого полюсного торца имеет хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Нагреватель для индукционного нагревания выполненной из ферромагнитного материала стенки сосуда, содержащий раму и индуктор, который содержит индукционную обмотку и магнитопровод, причем магнитопровод выполнен П-образной формы и, таким образом, имеет среднюю часть и две боковые части, каждая из которых оканчивается полюсным торцом, при этом упомянутый нагреватель выполнен с возможностью его установки в положение, когда упомянутые полюсные торцы магнитопровода обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, а также с возможностью подключения индукционной обмотки к источнику переменного тока, отличающийся тем, что магнитопровод жестко закреплен на раме, индукционная обмотка размещена на магнитопроводе неподвижно и таким образом, что индукционная обмотка охватывает магнитопровод, а при установке упомянутого нагревателя в положение, когда упомянутые полюсные торцы обращены и приближены к поверхности нагреваемой стенки, между каждым полюсным торцом и нагреваемой стенкой имеется зазор, при этом поверхность каждого полюсного торца имеет хотя бы одну общую нормаль с поверхностью нагреваемой стенки.

2. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен в виде пакета пластин.

3. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что индукционная обмотка размещена, по меньшей мере, на одной боковой части магнитопровода.

4. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что индукционная обмотка размещена на средней части магнитопровода.

5. Нагреватель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит защитный экран, который защищает обмотку от внешнего теплового излучения.