ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЬ ДЛЯ ПРОГРЕВА БЕТОНА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к электронагревателям, предназначенным для предотвращения образования ледяной корки, наледи, изморози на бетонных конструкциях и подвижных элементах плотин гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС), а также к способам их изготовления и использования для обогрева, например, отдельных конструкций больших промышленных сооружений.
Известно, что для нагрева жидких и газообразных сред применяют закрытые электронагреватели, представляющие собой металлические оболочки, внутри которых в электроизоляционном материале размещены нагревательные элементы с выводами. [см. Электротермическое оборудование. Справочник. - М.: Энергия, стр.181-84, 1980 г.]. Электроизолирующая среда может быть в виде различных сыпучих материалов [см. описание к патенту РФ №2120199, М.кл. Н05B 3/48, опубл. 10.10.98]., либо в виде опорного изолятора, например, с винтовыми канавками [см., например, описание к патенту Украины на полезную модель №13969, М.кл. H05B 3/42, опубл. 15.04.2006]. Упомянутые устройства используют резистивные нагревательные элементы, которые для создания эффективного тепла на поверхности должны обеспечивать большой градиент температуры, который возможен при значительном нагреве нагревательного элемента, что приводит к его перегреву и выходу из строя нагревателя в целом.
Изготовление электронагревательных устройств таких конструкций для обогрева значительных объемов и площадей ведет к существенным затратам, связанным с применением сложной технологии, используемой при изготовлении.
Известно, что для нагрева больших объемов или площадей в некоторых случаях применяют установки, основным элементом которых являются нагревательные кабели с различными типами изоляции, обеспечивающие обогрев строительных конструкций или значительных площадей [см. например, описание к патенту РФ №2168872, М.кл. H05B 3/56, F24D 13/02, опубл. 10.06.2001 или №2267237, М.кл. H04B 3/56, 1/02]. Они обеспечивают нагревание соответствующих сооружений и их эффективное использование при различных температурах окружающей среды. Однако, устройство таких установок, как правило, представляет собой плоскую конструкцию, которую формируют на небольшом расстоянии от поверхности сооружения. Устройство на основе такого технического решения очень уязвимо, поскольку может быть повреждено внешним воздействием, например, при строительных или иных работах, выполняемых тяжелой техникой.
Известно, что успешное решение многочисленных задач, связанных с нагревом различного рода устройств, возможно в результате применения в промышленности устройств и способов индукционного нагрева [см. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева. - Л.: Энергия, 284 с. 1974 г.]. Однако, природа индукционного нагрева такова, что, как правило, в зависимости от условий технической задачи, от конструкции нагреваемых объектов в каждом конкретном случае необходимо разрабатывать специальные устройства, технологии их изготовления и использования. В любом случае установка для индукционного нагрева металла состоит, как минимум, обычно из источника энергии и индуктора, представляющего собой спираль или провод какой-либо формы в зависимости от типа нагреваемого объекта, который помещают внутри индуктора или около него. То есть функциональные возможности устройств ограничены формой объектов, для нагрева которых они предназначены.
Индукционный нагрев может быть применен как для термообработки некоторых типов монолитных конструкций в условиях строительной площадки, так и для ускорения твердения бетона конструкций в условиях низких температур. Эффективен такой нагрев для насыщенных арматурой каркасных конструкций и конструкций возводящихся в стальной опалубке [см. Руководство по производству бетонных работ в зимних условиях районах Дальнего востока, Сибири и крайнего севера / ЦНИИОМТП Госстроя СССР. М.: Стройиздат, 1982 - 213 с.]. Он обеспечивает собственно прогрев бетона насыщенных металлом конструкций, обеспечивает равномерное по сечению и длине конструкций температурное поле. Однако, при отсутствии каркасных конструкций в составе бетона или металлической опалубки при строительстве использование индукционного нагрева мало эффективно или вообще не возможно. В таких случаях используют нагреватели с резистивными нагревательными элементами.
Известно также, что для нагрева, например, вертикальных конструкций в нефтегазовой промышленности, например, используют индукционные нагреватели, устройство которых включает корпус, являющийся одновременно магнитным сердечником, нагревательный элемент в виде индукционной катушки, контактный узел с токоподводящим кабелем [см. описание к патенту РФ №2198284, М.кл. E21B 36/04, опубл. 10.02.2003]. При этом нагревательный элемент в виде индукционной катушки намотан на наружной поверхности корпуса, который является магнитным сердечником и насосно-компрессорной трубой, оснащенной металлическими кольцами с разрезами, через которые проложены провода обмоток индукционной катушки.
При значительных линейных размерах нагревателя он создает тепловой поток достаточный для нагревания нефти, проходящей через него, до температуры, при которой не происходит образование асфальто-смолопарафиновых отложений.
Однако нагреватель такой конструкции достаточно сложный, требует значительных затрат при изготовлении, а его применение ограничено областями предполагаемых отложений в насосно-компрессорных трубах.
Наиболее близким к заявляемому решению по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании является электронагреватель, содержащий корпус, нагревательный элемент с выводами для подключения к сети, теплоемкий материал, размещенный между нагревательным элементом и корпусом, торцы корпуса закрыты крышками, верхняя из которых выполнена с отверстием для пропуска проводов и монтажным устройством. [см. описание к патенту РФ №2198284, М.кл. E21B 36/04, опубл. 10.02.203]. Пространство между корпусом и нагревательным элементом заполнено теплоемким материалом, например, смесью песка с жидким стеклом.
Описанное выше устройство обеспечивает повышение эффективности тепловой обработки бетона за счет снижения тепловых потерь при возведении бетонных и железобетонных конструкций, ускорение приобретения бетоном распалубочной прочности.
Однако, описанное выше устройство оказывается мало эффективно при достаточно высокой температуре окружающей среды, когда теплоемкость наполнителя, изолирующего нагревательный элемент от корпуса, обеспечивает необходимую теплопередачу, хотя и ускоряет затвердевание бетона, но не искажает характер химических процессов, протекающих при затвердевании бетона. В противном случае можно получить бетонную массу низкого качества.
Кроме того, при необходимости изготовления специальных нагревателей значительных линейных размеров, способ их изготовления требует специальной трудоемкой технологии, что ограничивает область их использования.
Поэтому целью предлагаемого технического решения является расширение функциональных возможностей электронагревателя и упрощение технологии изготовления.
В основу полезной модели поставлена также задача улучшения электронагревателя, в котором, вследствие выполнения корпуса электронагревателя в форме закладной трубы, а нагревательного элемента в форме индуктора, размещенного в герметичном металлическом трубчатом корпусе и погруженного в теплоемкую среду, обеспечивается новый технический результат. Он заключается в надежной изоляции токонесущей составляющей нагревательного элемента от корпуса и внешней среды, что позволяет увеличить срок эксплуатации, как нагревательного элемента, так и нагревателя в целом. Кроме того, такая конструкция устройства электронагревателя обеспечивает его хорошую ремонтопригодность, что сокращает затраты на эксплуатацию.
Поставленная задача решается также тем, что в известном электронагревателе, содержащем корпус, нагревательный элемент с выводами для подключения к сети, теплоемкий материал, размещенный между нагревательным элементом и корпусом, согласно полезной модели, корпус электронагревателя выполнен в форме закладной трубы, а нагревательный элемент выполнен в форме индукционного нагревательного элемента, содержащего индукционную катушку, размещенную в герметичном металлическом трубчатом корпусе.
Согласно полезной модели, индукционная катушка выполнена в форме расчетного количества витков электропровода, установленных в герметичном корпусе вокруг зоны соединения пары трубчатых элементов, служащих магнитопроводом.
Как видно из изложения сущности технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.
Предлагаемое устройство, называемое в данном случае электронагреватель принципиально отличается от известных тем, что его нагревательный элемент может быть отсоединен от корпуса электронагревателя, что делает его технологически удобным для монтажа при строительствке и ремонте крупномасштабных сооружений, в частности, плотин гидроэлектростанций, особенно в районах с низкими среднегодовими температурами. Предлагаемое техническое решение позволяет реализовать энергосберегающую технологию в результате рационального использования возможности жидкого теплоносителя при существенной экономии материальных ресурсов в сравнении с аналогичными нагревательными системами такого масштаба.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо и было реализовано при строительстве Днестровской ГАЭС, г.Новоднестровск и Ташлыкской ГАЭС, г.Южноукраинск.
Устройство электронагревателя показано на фиг.1. В таблице показаны основные размеры нагревателя, нагревательного элемента и корпуса.
Нагреватель плавучей запани
Нагреватель аварийно-ремонтного затвора
Нагреватель ремонтного затвора и сороулавливающей решетки
Общая длина закладной трубы, L<sub>1</sub>, м
16,6
15,00
12,00
Общая длина нагревательного элемента, L<sub>2</sub>, м
7,50
5,50
5,50
Диаметр корпуса D<sub>1</sub>, мм
120
120
120
1
1
2
Каждый электронагреватель (фиг.1), использованный для осуществления способа прогрева бетона содержит корпус 1 диаметром D, представляющий собой вертикально установленный закладной элемент бетонной конструкции (трубу) длиной L, нагревательный элемент 2 длиной L, секции крепежной штанги 4, выводы 5 для подключения к сети, теплоемкий материал (масло трансформаторное) 3. Корпус 1 нагревателя составлен из отдельных отрезков, сваренных между собой (на фиг. не показано). Нижний торец корпуса 1 нагревателя (закладная труба) герметично закрыт фланцем 6. К верхнему торцу корпуса 1 приварен фланец 7 для установки на нем нагревательного элемента 2. Нагревательный элемент 2 содержит индукционную катушку (на фиг. не показана), которая выполнена в форме расчетного количества витков электропровода, размещенных в герметичном металлическом трубчатом корпусе нагревательного элемента 2, составленного из набора труб разного диаметра.
2
Нагреватель работает следующим образом. Подключенная к источнику переменного напряжения индукционная катушка создает электромагнитное поле, которое замыкается на элементах магнитопровода и наводит в них вихревые токи, разогревающие поверхности труб, образующих корпус нагревательного элемента 2 электронагревателя. Тепло от корпуса нагревательного элемента 2 через теплоемкий материал (масло) передается на корпус 1 электронагревателя. Нагретое в нижней части масло, как более легкое, поднимается к верху, обеспечивая таким образом равномерное нагревание всей закладной трубы и бетона, предотвращая таким образом образование ледяной корки, наледи, изморози на бетонных конструкциях и подвижных элементах плотин гидроаккумулирующих электростанций (ГАЭС). При температуре окружающего воздуха -22°C нагреватель обеспечивает на контактной поверхности температуру +5°C на площади 5,3-7,4 м.
Как видно из описания примера осуществления электронагревателя, используемого для осуществления прогрева бетона, предлагаемое техническое решение к позволяет реализовать энергосберегающую технологию обработки бетона и бетонных конструкций и минимизировать как эксплуатационные затраты, так и затраты при строительстве крупномасштабных объектов в условиях низких среднегодовых температур, а также защитить от образования ледяной корки, наледи, изморози на бетонных конструкциях и подвижных элементах плотин электростанций.