Устройство индукционного нагрева жидкостей проточного типа
INDUCTION HEATING DEVICE FOR FLOW-THROUGH LIQUIDS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для индукционного нагрева жидкостей, в том числе на объектах нефтегазовой, химической и других отраслей промышленности, где производится транспортировка по трубопроводу вязких многокомпонентных жидкостей.
Известна установка индукционного нагрева трубопроводов по патенту RU №2415517, 2011 г., состоящая из устройства преобразования и управления, выполненного на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией, и нагревательного элемента, представляющего собой проводник с многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции, расположенный вдоль оси трубопровода, либо под углом к этой оси, одним витком, образующим контур, или включенными параллельно витками нескольких контуров для формирования температурного поля, причем нагревательный элемент может быть выполнен из нескольких секций, включенных параллельно.
Недостатком данной установки является низкий КПД и низкая эффективность теплопередачи, обусловленные малой площадью нагреваемой поверхности теплообменника под многопроволочной токопроводящей жилой высокой проводимости в термостойкой изоляции и, следовательно, локальным нагревом поверхности трубопровода.
Известно устройство для индукционного нагрева нефтепродуктов по патенту RU №2504927, 2014 г., содержащее индукционный нагреватель, магнитопроводный экран, теплоизоляционный кожух, индукционную обмотку, охватывающую цилиндрическую емкость, выпрямитель переменного тока и инвертор, соединенный с индукционной обмоткой и блоком управления инвертором, датчики температуры входного и выходного потока, соединенные с блоком сравнения температур, который подключен к блоку управления инвертором и блоку управления насосом, соединенному с насосом. Оно снабжено перепускной трубой, один конец которой расположен в сечении входного нагнетательного патрубка, на входе которого механически закреплен насос, а другой конец - в сечении выходного всасывающего патрубка с автоматическим запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком управления запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком сравнения температур. При этом индукционный нагреватель расположен горизонтально, цилиндрическая емкость выполнена из немагнитного материала с установленной по направлению движения жидкости вертикальной стенкой, а цилиндрический элемент выполнен в виде теплообменной трубы из ферромагнитного материала, которая расположена внутри цилиндрической емкости с зазором и снабжена горизонтальными теплообменными стержнями, установленными внутри трубы в шахматном порядке, теплообменными полусферами, расположенными на ее внешней поверхности в шахматном порядке, и термодатчиком, установленным на внешней поверхности.
Недостатками данного устройства являются низкий КПД, большие габариты теплообменника из-за малой площади теплообмена и высокой скорости протекания жидкости через теплообменник, необходимость установки дополнительного насосного оборудования и сложность конструкции.
Наиболее близким по своей технической сущности аналогом к заявленному устройству является известное устройство индукционного нагрева по патенту RU №2417563,2009 г.
Ближайший аналог состоит из устройства преобразования и управления на основе автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией и теплообменника, в котором нагрузкой преобразователя является индуцирующий провод, представляющий собой многожильный медный проводник в термостойкой изоляции, расположенный на поверхности теплообменника по всей его длине одним витком, а теплообменник представляет собой систему труб, внутри которых по всей длине радиально расположены пластины из магнитных материалов.
Недостатками аналога являются: низкий КПД, обусловленный низкой эффективностью индукционного нагрева пластин из магнитных материалов, радиально расположенных внутри труб теплообменников, из-за большого зазора между ними и индуктором, электромагнитного экранирования магнитных пластин от поля индуктора в случае, если трубы теплообменника выполнены из токопроводящего материала, и дополнительных потерь в окружающую среду из-за отсутствия внешней тепловой изоляции теплообменника; локальный перегрев поверхности под многожильным медным проводом; большая масса и размеры нагревателя из-за низкого показателя удельной объемной мощности теплообменника за счет малого значения отношения площади теплосъема с внутренней поверхности трубы теплообменника в жидкость к площади поперечного сечения трубы теплообменника.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД за счет того, что в нагреве жидкости дополнительно участвует практически вся энергия, выделяющаяся в ленточном индукторе, плотно прижатом к поверхности трубы теплообменника, повышение надежности устройства за счет отсутствия локальных перегревов и снижения градиента температур между нагревательным элементом и нагреваемой жидкостью, а также уменьшение габаритных размеров и массы теплообменника за счет увеличения поверхности теплоотдачи в трубах прямоугольного поперечного сечения и их плотной компоновки.
Указанный технический результат при использовании заявленного устройства достигается тем, что в известном устройстве индукционного нагрева, состоящем из устройства преобразования и управления и теплообменника с индукционным нагревателем, подключенным к устройству преобразования и управления, теплообменник представляет собой заключенные в механически прочный электрически непроводящий кожух n≥1 труб прямоугольного сечения, расположенных параллельно в потоке нагреваемой жидкости в один ряд вплотную друг к другу протяженными сторонами, а индукционный нагреватель представляет собой n≥1 ленточных индукторов, электрически изолированных с обеих сторон, каждый из который охватывает внешнюю поверхность соответствующей n-й трубы теплообменника одним поперечным витком. При этом ленточные индукторы на всех трубах теплообменника электрически соединены последовательно так, что токи ленточных индукторов у расположенных вплотную стенок соседних труб направлены в одну сторону.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном устройстве за счет использования в качестве теплообменника труб прямоугольного сечения, нагреваемых индукционным способом, обеспечивается существенное увеличение теплоотдающей поверхности теплообменника из-за увеличения отношения площади боковых стенок к площади поперечного сечения трубы, а использование в качестве индуктора электропроводящей ленты, плотно прилегающей к нагреваемой поверхности трубы через тонкую электрическую изоляцию, имеющую минимальное тепловое сопротивление, обеспечивает равномерный нагрев поверхности теплообменника, исключая его локальные перегревы, и передачу практически всей энергии, выделяющейся в индукторе, в нагреваемую жидкость, тем самым обеспечивая повышение КПД устройства для выбранных материалов индуктора и трубы.
Таким образом, достигается сформулированный технический результат при использовании заявленного устройства.
Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг. 1 -- Общий вид устройства;
на фиг. 2 - Поперечное сечение теплообменника с индуктором;
на фиг. 3 - Схема соединения ленточных индукторов;
на фиг. 4 - Перемычки перекрестного соединения ленточных индукторов.
Заявленное устройство индукционного нагрева жидкостей проточного типа, показанное на фиг. 1, состоит из устройства преобразования и управления (1) и теплообменника, состоящего из n≥1 труб прямоугольного сечения (2), которые расположены в потоке нагреваемой жидкости параллельно. Поверхность каждой трубы (2) одним поперечным витком охвачена ленточным индуктором (3), плотно прижатым к стенке трубы через слой электрической изоляции (4). Трубы теплообменника (2), охваченные ленточными индукторами (3), имеют внешнюю электрическую изоляцию (5) и расположены в один ряд вплотную друг к другу протяженными сторонами, так что в поперечном сечении образуют составной прямоугольник или квадрат, и помещены в механически прочный кожух (6) из электрически непроводящего и теплоизолирующего материала.
Для электрического подключения каждый ленточный индуктор снабжен контактными колодками (8) (фиг. 2). Ленточные индукторы (3) на всех трубах (2) электрически соединены последовательно с помощью перемычек (9, 10) и образуют составной индуктор, причем токи в ленточных индукторах у расположенных вплотную стенок соседних труб одинаковы и направлены в одну сторону (фиг. 3). Выходные шины (11) составного индуктора изолированы от перемычек (9, 10) слоем изоляции (13), выведены из кожуха (6) и подключены к устройству преобразования и управления (1) с помощью токоподводов (7).
Устройство преобразования и управления (1) предназначено для преобразования напряжения промышленной частоты 50 Гц в однофазное напряжение повышенной частоты для эффективной бесконтактной передачи энергии в трубу теплообменника и может быть реализовано на базе инверторов напряжения, тока и других статических и машинных преобразователей частоты. Выходную частоту преобразователя выбирают предпочтительно в диапазоне примерно 10…200 кГц, в котором слабо выражены физические эффекты электрических разрядов и сил электромагнитного взаимодействия, невелики масса и размеры токоведущих частей и преобразователя. Устройство преобразования и управления (1) снабжено системой управления, которая обеспечивает управление температурой нагрева потока жидкости за счет регулирования мощности при различных внешних возмущениях и, в общем случае, может включать в себя датчик температуры и регулятор мощности нагрева.
Трубы теплообменника (2) выполняют из металла, обеспечивающего требуемую механическую прочность и проводящего электрический ток, например, из магнитной или немагнитной стали. Оба варианта изготовления труб из магнитной и из немагнитной стали приемлемы, однако следует отметить, что использование магнитной коррозионностойкой стали упрощает согласование индуктора с преобразователем, индуктор работает в менее напряженном по току режиме, меньше потери в ленте индуктора и, следовательно, выше надежность устройства. Трубы имеют прямоугольное поперечное сечение, за счет чего увеличивается отношение теплоотдающей площади стенок трубы, пропорциональной периметру поперечного сечения трубы, к площади сечения трубы, причем, чем больше отношение сторон прямоугольного сечения трубы, тем больше теплоотдающая поверхность при той же площади поперечного сечения. В то же время, при чрезмерном уменьшении одного из размеров прямоугольного сечения трубы возрастает гидравлическое сопротивление трубы и разность давлений на входе и выходе теплообменника, что необходимо учитывать при выборе размеров. Теплообменник включает n≥1 труб прямоугольного сечения, расположенных параллельно в потоке жидкости; таким образом, поперечное сечение теплообменника может быть квадратным или прямоугольным. Толщина стенки трубы должна обеспечивать требуемую механическую прочность, в том числе, при перепадах давления жидкости в трубе, а также длительное время противостоять коррозии и истиранию при протекании по трубе агрессивной жидкости с твердыми абразивными включениями. Кроме того, толщина стенки трубы должна быть близка к глубине проникновения тока в металл, из которого изготовлена труба, на частоте тока индуктора. Трубы, охваченные ленточными индукторами, плотно прилегают друг к другу протяженными сторонами, а токи повышенной частоты, протекающие в прилегающих друг к другу ленточных индукторах, разделенных слоями электрической изоляции, направлены в одну сторону и равны друг другу (фиг. 3), т.е. все ленточные индукторы включены последовательно и подключены к общему устройству преобразования и управления (1).
Ленточный индуктор (3) представляет собой электропроводящую ленту, например, из меди, которая плотно охватывает прямоугольную трубу одним поперечным витком через тонкий слой электрической изоляции (4).
Электрическая изоляция (4) может быть выполнена либо путем покрытия ленточного индуктора (3) со стороны, обращенной к поверхности нагреваемой трубы, электроизоляционным лаком, либо из тонкой электроизоляционной пленки, например, полиимидной пленки, асбестовой бумаги или другого электроизоляционного материала, электрическая прочность которого достаточна для исключения электрических пробоев, а теплопроводность максимальна, чтобы мощность, выделяющаяся в ленте индуктора при протекании высокочастотного тока, передавалась в с гонку нагреваемой грубы и далее в нагреваемую жидкость за счет теплопроводности с минимальным градиентом температуры.
Теплофизические свойства внешней электрической изоляции (5) между ленточными индукторами, установленными на соседних трубах, не влияют на эффективность работы индуктора, поэтому она может быть большей толщины и иметь низкую теплопроводность.
Контактные колодки (8) служат для подключения ленточного индуктора (3) к другим индукторам и к цепи питания. Контактные колодки (8) представляют собой несколько коротких стоек из электропроводящего материала с резьбовыми отверстиями, припаянных или приваренных к ленточному индуктору равномерно по всей его ширине на каждом конце. Для перекрестного последовательного соединения соседних ленточных индукторов используются плоские изолированные перемычки (9, 10) из электропроводящего материала, соответствующие ширине ленты индуктора, с отверстиями для подключения резьбовым немагнитным крепежом к стойкам и вырезами в местах ненужного контакта со стойками (фиг. 4). Для фиксации расстояния между концами ленты индуктора используется изоляционная пластина (12), выполненная из электроизоляционного материала, например, стеклотекстолита, с отверстиями под стойки.
Для обеспечения прочности конструкции и сохранения формы прямоугольных труб теплообменника при высоком давлении жидкости, а также тепловой изоляции от окружающей среды теплообменник помещается в механически прочный кожух (6), выполненный из немагнитного электрически непроводящего материала с низкой теплопроводностью, например, из стеклопластика. Кожух может быть выполнен разъемным для повышения ремонтопригодности теплообменника. Заявленное устройство работает следующим образом.
Устройство встраивается в поток жидкости, который создается с помощью внешнего насоса, не относящегося к устройству нагрева.
Индукционный нагрев производят на повышенной частоте (в диапазоне 10…200 кГц) с удельной поверхностной мощностью, которая соответствует удельной мощности, снимаемой протекающей жидкостью с внутренней поверхности трубы при допустимой температуре стенки трубы.
Система управления, входящая в состав устройства преобразования и управления (1), обеспечивает управление температурой нагрева потока жидкости за счет регулирования мощности при различных внешних возмущениях, таких как изменение температуры, скорости или давления нагреваемой жидкости на входе в теплообменник, изменение состава и, следовательно, теплоемкости нагреваемой жидкости, а также вязкости и коэффициента теплоотдачи, колебания напряжения питающей сети и пр.
От устройства преобразования и управления (1) на ленточные индукторы (3) подается переменное напряжение. Ленточный индуктор (3) из широкой и тонкой электропроводящей ленты наводит в трубе прямоугольного сечения (2) поперечный кольцевой ток. Благодаря малому зазору между поверхностью трубы и лентой индуктора индуцированный кольцевой ток в трубе имеет постоянную по ширине плотность и, следовательно, достигается постоянная удельная поверхностная мощность нагрева, т.е. вся площадь стенок трубы нагревается и передает тепло в поток жидкости. Это минимизирует площадь поверхности трубы, которая необходима для передачи в жидкость требуемой мощности. Удельная мощность нагрева должна соответствовать удельной мощности, снимаемой с внутренней поверхности трубы протекающей жидкостью при допустимой температуре стенки трубы.
2
Удельная мощность теплосъема с 1 см внутренней поверхности трубы в жидкость при ламинарном потоке при разности температуры горячей стенки трубы и холодной жидкости ΔT=40°С равна  где α - коэффициент теплоотдачи, значения которого приведены, например, в книге Головин Г.Ф., Зимин Н.В. «Технология термической обработки металлов с применением индукционного нагрева.- 4-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1979. - 120 с. Ил. - (Б-ка высокочастотника термиста) (графики фиг. 13 стр. 25).
s
s
s
2
2
Градиент температуры в стенке трубы ΔT=P⋅l/, где P [Вт/см] - мощность, передаваемая через единицу площади поверхности стенки трубы (удельная поверхностная мощность, тепловой поток); l - длина пути теплового потока через стенку трубы (толщина стенки трубы) [см];  - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы [Вт/(см⋅град)]. Для углеродистых сталей =(0.5…0.9) Вт/(см⋅°С), для нержавеющих сталей =(0.3…0.45) Вт/(см⋅°С), для аустенитных сталей типа 12Х18Н9Т - =(0.12…0.22) Вт/(см⋅°С). При удельной мощности P=4 Вт/см, толщине стенки 2 мм для стали с =0.2 Вт/(см⋅°С) градиент температуры ΔТ=4°С. Этот расчет сделан в предположении, что глубина проникновения тока в нагреваемый металл на частоте нагрева существенно меньше толщины стенки трубы. Если на частоте нагрева глубина проникновения тока равна толщине стенки трубы, то градиент температуры в стенке трубы в 2 раза меньше.
Стенки труб нагреваются токами повышенной частоты, которые наводятся в них при протекании тока в ленточном индукторе, а также за счет теплопроводности от нагретой до более высокой температуры ленты индуктора из-за выделения тепла в ней при протекании тока. Превышение температуры ленточного индуктора над температурой стенки трубы тем меньше, чем меньше тепловое сопротивление электрической изоляции (4), т.е. чем тоньше ее слой и чем выше теплопроводность материала, из которого она изготовлена.
2
2
1
n
2
10
а
Теплоотдача от стенки трубы теплообменника в жидкость пропорциональна площади поверхности трубы, контактирующей с жидкостью на единице длины трубы, т.е. пропорциональна периметру поперечного сечения трубы. Для трубы квадратного поперечного сечения со стороной «а» (фиг. 2) площадь поперечного сечения S=a, а периметр P=4a. Периметр поперечного сечения круглой трубы того же сечения меньше  а периметр поперечного сечения составной трубы из n труб прямоугольного сечения при той же суммарной площади поперечного сечения S=n*a*(a/n)=a равен P=2(n+1). Например, при n=2 суммарный периметр Р=6а, а при n=10 суммарный периметр Р=22а, что в 6,2 раза больше, чем у круглой трубы, т.е. эффективность теплоотдачи от нагретых стенок при одинаковой длине и поперечном сечении у теплообменника, состоящего из десяти прямоугольных труб, в 6,2 раза больше, чем у теплообменника, представляющего собой круглую трубу. Этим достигается повышение удельной объемной мощности теплообменника из нескольких прямоугольных труб, нагреваемых ленточными индукторами, по сравнению с теплообменником из одной круглой трубы.
Для увеличения мощности нагрева установка индукционного нагрева жидкостей проточного типа может содержать несколько секций - теплообменников с индукционными нагревателями, установленных последовательно в потоке жидкости, при этом для каждой секции предусматривают отдельное устройство преобразования и управления.
При нагреве многокомпонентных жидкостей, например, нефтяной смеси с песком, водой и газом, которая под действием силы гравитации может расслаиваться, горизонтальное расположение теплообменника может приводить к накоплению в нижней части теплообменника твердых осадков, появлению над ними слоя воды, еще выше нефти и, наконец, газа. Расслоение может приводить к неравномерному по высоте теплосъему и, как следствие, к существенной неравномерности нагрева стенки прямоугольной трубы по периметру. Для исключения влияния силы тяжести на расслаивание компонентов жидкости предусматривается вертикальное направление потока в теплообменнике снизу-вверх. Это обеспечивает сохранение равномерной консистенции многокомпонентной жидкости во время прохождения ее через теплообменник, предотвращает осаждение песка и образование газовых пробок и, как следствие, упрощает обслуживание, гак как исключается необходимость удаления песка, воды и газа из конструкции теплообменника.