ГРЕЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
HEATING ELEMENT OF DEVICE FOR HEATING INDUSTRIAL OBJECTS

Данное техническое решение относится к средствам обогрева промышленных объектов и их элементам, применяемым для обогрева таких объектов, как резервуары, цистерны, трубопроводы, в которых содержится среда, требующая подогрева в процессе эксплуатации объектов. В случае использования устройства для обогрева трубопровода предполагается подогрев транспортируемой по нему текучей среды. Устройство предназначено для его использования преимущественно в области строительства.
Известно устройство, которое содержит трубку нагрева из ферромагнитного материала, закрепленную на обогреваемой трубе, а также контур электрического проводника, подключенного к источнику питания переменного тока, а также вставленный, по меньшей мере, в одну трубку по всей длине трубы (US 3515837 А, 02.06.1970).
В патенте US 4617449 представлено устройство для нагрева трубопровода, содержащее закрепленные на поверхности трубопровода трубки, в которых расположен электрокабель, который нагревает трубопровод (US 4617449, 14.10.1986).
Известно устройство, используемое на обогреваемом трубопроводе, на котором закреплена проложенная совместно с ним нагревательная трубка из ферромагнитного материала с проводником, подключенным к источнику переменного тока, при этом в устройстве имеется дополнительная нагревающая трубка, а токовый проводник в конце, противоположном источнику переменного тока, смонтирован в обратном направлении и протянут через дополнительную нагревательную трубку, при этом к источнику переменного тока подключены оба конца токового проводника. Каждая из нагревательных трубок может быть прерывистой, выполненной в виде отделенных друг от друга участков, нанизанных на проводник. Данное устройство обеспечивает возможность обогрева локальных зон и исключение обогрева зон, в которых этот нагрев нежелателен. Вдоль технологического трубопровода может быть уложено несколько пар нагревательных трубок, что значительно повышает температуру нагрева и снижает удельную мощность нагрева трубки и трубопровода. Трубки выполнены прерывистыми, при этом «прерывистость» каждой из трубок в описании и на чертежах не раскрыта. В устройстве каждая трубка в поперечном разрезе является бесконечнозамкнутой ферромагнитной оболочкой, служащей как для фиксации в ней ветви электрокабеля, так и для образования внутри оболочки вихревых токов для нагрева оболочки и передачи от нее тепла обогреваемому объекту.
Техническое решение по патенту RU 93130 U1 имеет сравнительно сложную конструкцию, что снижает эффективность нагрева объекта с точки зрения расхода электроэнергии. Это связано с существенными потерями тепла, возникающего сначала в стенке греющей оболочки в зоне ее примыкания к стенке обогреваемого объекта, а затем передающегося на стенку обогреваемого объекта. В связи с потерями тепла расход электроэнергии на нагрев греющего элемента повышается. При этом греющий элемент имеет сравнительно большую металлоемкость, а монтаж устройства с греющими элементами в виде трубок сопряжен с большой трудоемкостью, связанной с необходимостью протаскивания через трубки электрокабеля.
Из патентной документации известны также греющие элементы, каждый из которых выполнен в виде разомкнутой с одной стороны оболочки из ферромагнитного материала, расположенной вблизи металлической стенки обогреваемого объекта с возможностью электромагнитного с ней взаимодействия, при этом середина оболочки простирается в сторону от объекта (US 4401156 А1, 30.08.1983 и WO 1988005988 A1, 11.08.1988). Наиболее близкое техническое решение по заявке WO 1988005988 А1 требует сравнительно большого расхода электроэнергии на нагрев греющего элемента в связи рассеиванием тепла в направлении от обогреваемого объекта, а также в связи с тем, что в этом техническом решении не предусмотрены средства для удержания тепла в оболочке, а также в связи с тем, что в нем не предусмотрены режимы нагрева, связанные с образованием внутри оболочки вихревых токов для нагрева оболочки и передачи от нее тепла обогреваемому объекту.
Техническим результатом изобретения является снижение расхода электроэнергии на нагрев греющего элемента.
Технический результат получен греющим элементом, выполненным в виде разомкнутой с одной стороны оболочки из ферромагнитного материала, расположенной вблизи металлической стенки обогреваемого объекта с возможностью электромагнитного с ней взаимодействия, при этом середина оболочки простирается в наружную сторону от объекта, причем образованный разомкнутой частью оболочки открытый сбоку канал под электрокабель выполнен так, что ширина разомкнутой части оболочки равна длине половины образующей поверхности оболочки с ее внутренней стороны.
В поперечном разрезе оболочка имеет граненую г-образную форму с длиной одной грани с внутренней стороны, равной ширине разомкнутой части оболочки.
В поперечном разрезе оболочка имеет выпуклую от стенки обогреваемого объекта форму, половина длины внутренней поверхности которой равна ширине разомкнутой части оболочки.
Торец каждого конца оболочки в ее поперечном разрезе выполнен выгнутым, вогнутым или плоским.
Сущность греющего элемента раскрыта на примере его реализации в устройстве для нагрева промышленного трубопровода.
На фиг. 1 показан один из вариантов верхнего расположения оболочки греющего элемента на стенке трубопровода.
На фиг. 2 - греющие элементы устройства для обогрева трубопровода, расположенные в нижней части трубопровода.
Греющий элемент 1 (фиг. 1) устройства (фиг. 2) для обогрева промышленного объекта содержит оболочку 2 (стенку), имеющую соответствующую расчетную толщину и изготовленную из ферромагнитного материала, располагаемую одной стороной вблизи металлической стенки 3 обогреваемого объекта 4 (объект показан на фиг. 1 условно в виде фрагмента трубопровода). Греющий элемент 1 приближен к стенке 3 объекта 4 на расстояние возможного электромагнитного с ней взаимодействия.
Указанная сторона греющего элемента 1 выполнена разомкнутой так, что в рабочем положении между оболочкой 2 элемента 1 и стенкой 3 объекта 4 образован открытый сквозной канал 5 под электрокабель 6, располагаемый в этом канале. Оболочка 2 греющего элемента в его рабочем положении образует со стенкой объекта сквозной открытый сбоку канал под электрокабель, при этом оболочка греющего элемента выполнена изогнутой (ломаной) и простирающейся от ее концов в наружную от объекта 4 сторону. Греющий элемент выполнен предпочтительно в виде уголка, имеющего две грани, расположенные под углом друг к другу так, чтобы изнутри уголка оставалось место для электрокабеля и соответствующих зазоров между ним и внутренними поверхностями уголка. В этой связи оболочка 2 выполнена в средней части выпуклой, простирающейся от ее концов в наружную сторону. Форма оболочки в ее поперечном разрезе может быть выполнена многогранной или какой-либо иной, при условии что в этой оболочке будет образован открытый с одной стороны продольный сквозной канал 5 под располагаемый в нем электрокабель 6.
Оболочка 2 греющего элемента имеет упомянутые концы 7 и 8, образующую наружную поверхность 9 и среднюю выпуклую часть 10, простирающуюся в наружную сторону от указанных концов. Торец каждого конца греющего элемента выполнен выгнутым наружу, так как это показано на фиг. 1, или вогнутым, или плоским. Греющий элемент 1 является отдельной частью устройства для обогрева промышленного объекта, при этом греющий элемент работает совместно с металлической стенкой 3 промышленного объекта.
Предпочтительная форма исполнения оболочки в ее поперечном разрезе, как показали испытания, должна быть ломаной (и/или изогнутой) и в указанном разрезе простирающейся от концов к ее середине. В этом исполнении оболочка в поперечном разрезе выполнена граненой. Более конкретно - оболочка в поперечном разрезе имеет две грани и ширина h ее разомкнутой части равна длине грани изнутри греющего элемента. Также оболочка выполнена удлиненной по отношению к поперечному контуру, при этом в поперечном разрезе стенка оболочки имеет г-образную форму.
В одном рабочем положении греющего элемента его концы 7 и 8 (фиг. 2) расположены вблизи поверхности 11 стенки 3 обогреваемого объекта 4 с зазором f между ними. В этом рабочем положении греющего элемента он зафиксирован на объекте 4 теплоизоляцией, в которой расположен греющий элемент 1.
В другом рабочем положении греющего элемента его концы 7 и 8 опираются на поверхность 11 (фиг. 1) стенки 3 обогреваемого объекта 4, при этом греющий элемент может быть прикреплен к стенке объекта, например, сваркой 13 или стяжкой (не показана). Позицией 14 на фиг. 2 показан источник переменного тока, который соединен с двумя ветвями одного электрокабеля 6, для чего последний образует собой замкнутую на источник 14 тока петлю. Между крайними внутренними точками 15 канала 5 оболочки 2 (фиг. 2) имеется зона h, в которой вихревые токи воздействуют на наружную поверхность 11 обогреваемого объекта.
Работа греющего элемента раскрыта на примере его использования в устройстве для обогрева такого промышленного объекта, как трубопровод для транспортировки текучих сред.
Подают от источника переменного тока 14 (фиг. 2) по электрокабелю 6 переменный электрический ток в устройство, смонтированное на стальном трубопроводе (фиг. 2). В результате на внутренней поверхности оболочки 2 греющего элемента 1 и на наружной поверхности 11 стенки 3 обогреваемого объекта - в зоне h примыкания оболочки 2 к стенке 3 - образуются вихревые токи. В результате возмущения от вихревых токов каждая нагревательная трубка нагревается и передает тепло обогреваемому объекту. Данные токи нагревают часть стенки 3 обогреваемого объекта и всю оболочку 2 греющего элемента. Нагрев части стенки 3 обогреваемого объекта происходит в указанной зоне h, при этом процесс нагрева оболочки 2 и части 3 стенки происходит одновременно. При работе греющих элементов тепло от нагретой зоны стенки 3 объекта 4 передается на остальную часть стенки обогреваемого объекта и, равномерно распределяясь по ней, передается транспортируемой по трубопроводу текучей среде 16.
Как показали испытания, чем шире зона h, тем меньше потерь электроэнергии. В соответствии с этим выбраны оптимальные формы греющих элементов и оптимальные размеры зоны h. Выполнение торца каждого конца греющего элемента выгнутым наружу, или вогнутым, или плоским выбрано с целью наиболее плотного контакта с поверхностью обогреваемого объекта.
Техническое решение предусматривает способ обогрева промышленного объекта путем использования разомкнутых оболочек греющих элементов в устройстве для обогрева объектов. Способ заключается в том, что разомкнутую оболочку каждого греющего элемента располагают вблизи обогреваемого объекта на расстоянии их электромагнитного взаимодействия и создают вихревые токи одновременно на внутренней поверхности оболочки греющего элемента и на внешней поверхности стенки обогреваемого объекта.
В сравнении с прототипом указанный технический результат исключает необходимость нагрева бесконечно-замкнутой оболочки (трубки) и неполезное рассеяние тепла в окружающее пространство. При работе каждого греющего элемента полезное тепло передается непосредственно на стенку обогреваемого объекта и оболочку греющего элемента. При этом расход электроэнергии на нагрев сокращенной в размерах оболочки греющего элемента уменьшается, эффективность обогрева объекта повышается. Также существенно уменьшается металлоемкость греющего элемента.
Разомкнутая форма греющего элемента существенно изменяет способ монтажа устройства на обогреваемом объекте. Новый способ монтажа предусматривает следующие действия: сначала располагают электрокабель на обогреваемом объекте, а затем на него накладывают греющие элементы, которые соединяют с обогреваемым объектом. Такой способ исключает известное действие способа - трудоемкое протаскивание кабеля через греющие трубки, как это имеет место в прототипе.
Поскольку устройство для обогрева такого объекта, как многокилометровый трубопровод, имеет множество элементов нагрева и форма каждого из них оказывает значительное влияние на расход металла и электроэнергии, то данное техническое решение для известных типоразмеров трубопроводов позволяет сократить расход металла на один греющий элемент в пределах 30%, а также позволяет сократить расход электроэнергии на нагрев греющего элемента до 10% в зависимости от наиболее оптимального его месторасположения на обогреваемом объекте.