ИНДУКЦИОННО-РЕЗИСТИВНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОБОГРЕВА
INDUCTION-RESISTIVE ELECTRIC HEATING SYSTEM

Изобретение относится к технике электрического нагрева различных объектов теплоспутниками из ферромагнитных материалов, например, нагревательными трубками из углеродистых конструкционных сталей, нагреваемых индукционно-резистивным способом. В качестве обогреваемых объектов могут выступать трубопроводы и резервуары различных диаметров и конструкций, строительные конструкции и полы, в том числе полы открытых технологических объектов, прочие объекты, нуждающиеся в обогреве или разогреве, например, водоприемные колодцы или почва перед проведением рытьевых работ. Устройство может использоваться для поддержания температуры обогреваемого объекта, защиты от замерзания продуктов, находящихся внутри обогреваемого объекта, а также для разогрева этих продуктов и самого обогреваемого объекта.
На практике необходимо обогревать и разогревать различные строительные конструкции, резервуары и трубопроводы, в том числе протяженные трубопроводы и трубопроводы в заводской теплоизоляции, для этой цели часто используются различные индукционно-резистивные системы с металлическими кабельными каналами, то есть трубками из ферромагнитного материала. Существующие индукционно-резистивные системы имеют ряд существенных недостатков.
Известна теплогенерирующая труба [US 3515837, 02.06.1970 г.], содержащая вырабатывающую теплоту трубку, имеющую первичный контур, который представлен электрическим проводником, подключенным к источнику питания переменного тока и вставленным по меньшей мере в одну трубку из ферромагнитного металла по всей его длине, электрически изолированным от внутренней стенки трубки, и вторичный контур, состоящий по меньшей мере из одной трубки из ферромагнитного материала и по меньшей мере одного проводника, имеющий сопротивление как можно более низкое и соединяющего концы указанной трубки, переменный ток, индуцированный во вторичном контуре с помощью тока первичного контура, сосредоточен на внутренней стенке указанной трубки за счет скин-эффекта, удовлетворяя уравнениям (1, 2):
где S - глубина проникновения (см) тока, протекающего в трубке из ферромагнитного металла за счет скин-эффекта;
ρ - удельное активное сопротивление (Ом⋅см) материала трубки;
μ - магнитная проницаемость материала трубки,
- частота (Гц).
где t - толщина стенки указанных трубок (см);
D - внутренний диаметр указанных трубок (см);
- длина указанной трубки (см).
При выполнении этих условий трубка нагревается за счет тока, протекающего по внутренней стенке трубки за счет скин-эффекта, тепло передается внешней поверхности указанной трубки без значительного количества электрического тока, протекающего через внешнюю поверхность.
Причем указанная трубка согнута нечетное число раз в форме U, и указанная трубка представляет собой множественное число трубок, и концы трубок расположены максимально близко, насколько это возможно.
Также известно устройство для электрического подогрева технологических объектов вихревыми токами [RU №154343 U1, 20.08.2015 г.].
Система электрического обогрева технологических объектов вихревыми токами, содержащая источник питания переменного тока, по меньшей мере одну нагревательную трубку, выполненную из ферромагнитного материала, внутри которой протянут проводник, отличающаяся тем, что концы проводника соединены с выходами коммутирующего устройства, а входы коммутирующего устройства с источником питания переменного тока, управление коммутирующим устройством осуществляется системой управления, содержащей по меньшей мере один датчик температуры и блок управления, в зависимости от геометрии обогреваемого объекта и количества нагревательных трубок проводник может быть разбит на участки и скреплен соединительными муфтами, которые могут быть расположены в протяжных коробках.
Недостатком данных изобретений является то, что для обеспечения отсутствия разницы потенциалов на внешней поверхности трубки и отсутствия утечки индуцируемого тока с внешней поверхности трубки, что необходимо для электрической безопасности, взрывобезопасности и снижения коррозионной активности обогреваемого объекта под действием стекающих на него токов с внешней поверхности трубки, необходимо использовать одновременно две трубки, через которые проходит проводник, соединенные в начале и конце перемычками с низким сопротивлением, или если используется одна трубка, а обратный ток течет по проводнику, который размещается вне трубки, для обеспечения указанных выше условий необходимо соединять начало и конец трубки проводником с низким сопротивлением, который требуется прокладывать отдельно от трубки. В сравнении с системами типа «скин-эффект» [US 3293407, 20.12.1966 г.], в которых проводник в конце трубки замыкается непосредственно на трубку, поэтому трубка обеспечивает металлосвязь для протекания обратного тока, в первом случае необходим двойной расход материалов, трубки и проводника, во втором случае необходимо использование по меньшей мере трех проводников, два из которых необходимо монтировать отдельно от нагревательной трубки, поэтому системы [RU №154343 U1, 20.08.2015 г.], [US 3515837, 02.06.1970 г.] сложнее в монтаже и эксплуатации и существенно дороже систем типа «скин-эффект».
В свою очередь системы типа «скин-эффект», в которых используется один кабель и одна трубка, имеют следующие недостатки по сравнению с вышеуказанными системами: необходимость в обеспечении надежной металлосвязи нагревательных ферромагнитных трубок посредством сварки, что ограничивает их применение на объектах сложной конструкции, например, запорной арматуре, а при повреждении трубок может привести к выходу системы обогрева из строя, или повреждению проводника при сварке во время ремонта, в системах типа «скин-эффект» проводник замыкается на трубку в ее конце, таким образом, между проводником и трубкой всегда существует разница потенциалов, поэтому возможно короткое замыкание проводника на трубку с большими токами и с последующим повреждением трубки, проводника и обогреваемого объекта, а также риском пожара и взрыва, системы типа «скин-эффект» сложнее монтировать в полевых условиях на фланцах, запорной арматуре и т.д., системы типа «скин-эффект» могут использоваться только на прямолинейных трубопроводах без разветвлений, так как не образуют петлю, охватывающую трубопровод, и отдельные части систем типа «скин-эффект» не могут соединяться параллельно на любом участке обогреваемого объекта. По этой же причине системы типа «скин-эффект» не могут использоваться для обогрева строительных конструкций, резервуаров и прочих объектов со сложной геометрией поверхности.
Задачей данного изобретения является создание индукционно-резистивной системы электрического обогрева, которая может использоваться для обогрева разветвленных трубопроводных систем и прочих объектов со сложной геометрией без образования петли нагревательными трубками.
Еще одной задачей изобретения является создание индукционно-резистивной системы электрического обогрева, которая бы не требовала обеспечения надежной металлосвязи нагревательных трубок сваркой на всех участках, но при этом не имела индуцируемой разницы потенциалов на поверхности трубок и, соответственно, токов утечки на обогреваемый объект без дополнительной электрической изоляции трубок от обогреваемого объекта.
Следующей задачей изобретения является создание индукционно-резистивной системы электрического обогрева, в которой между нагревательной трубкой и индуктором отсутствует гальваническая связь и разница потенциалов, способная привести в случае повреждения электрической изоляции индуктора к его замыканию на трубку с последующим прожогом трубки и обогреваемого объекта.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе применяется индуктор в виде многожильного кабеля, одна из жил или групп жил которого предназначена для протекания тока в прямом направлении от источника питания к концу теплоспутника, то есть нагревательной трубки, а другая жила или группа жил для протекания тока в обратном направлении от конца теплоспутника к источнику питания. При этом одна из вышеуказанных групп жил имеет металлический экран, который экранирует создаваемое ею электромагнитное поле за счет протекания в этом экране индуцированных токов. Поэтому суммарное электромагнитное поле внутри теплоспутника обеспечивается только токами экрана и неэкранированной жилы или группы жил. Так как экран гальванически развязан от источника питания, то он может быть заземлен и присоединен к концам теплоспутника для уравнивания их потенциалов, в результате за счет индуцированной на концах трубки разницы потенциалов ток протекает по экрану, а не по внешней поверхности теплоспутника, оставляя ее электрически нейтральной.
Жилы кабеля в теплоспутнике образуют петлю для протекания токов в обоих направлениях, к концу теплоспутника и обратно, таким образом, в системе может использоваться только один теплоспутник на обогреваемом участке, например, на трубопроводе, и система может использоваться для обогрева разветвленных объектов и объектов сложной конструкции.
В данной системе гальваническая связь между теплоспутниками и источником питания отсутствует, в том числе, если используется система питания с изолированной нейтралью, а теплоспутники заземлены. Поэтому в случае повреждения электрической изоляции индуктора и его замыкания на теплоспутник токи утечки будут небольшими, не последует последующего прожога теплоспутника и обогреваемого объекта.
На фиг. 1 изображен контур электрического обогрева, содержащий источник питания и теплоспутник.
На фиг. 2 изображена простая структурная схема системы управления и защит контура электрического обогрева.
На фиг. 3 изображена система электрического обогрева трубопровода с разветвлением.
На фиг. 4 изображена конструкция индуктора.
На фиг. 5 изображено распределение плотности тока в индукторе и теплоспутнике.
Индукционно-резистивная система электрического обогрева содержит источник питания переменного напряжения 1 (фиг. 1, 3), частота и уровень напряжения источника питания 1 могут быть различными, в том числе стандартного ряда для промышленности 400 В, 50 Гц. Измерение электрических параметров системы электрического обогрева осуществляется блоком измерения электрических величин 16 (фиг. 1, 3), который содержит датчики тока и напряжения, а также датчик тока утечки через электрическую изоляцию контура электрообогрева или датчик измерения величины электрической изоляции контура электрообогрева. Также система обогрева содержит по меньшей мере один теплоспутник 5 (фиг. 1, 3, 5), выполненный из ферромагнитного материала, внутри которого на всем протяжении коаксиально размещен индуктор 7 (фиг. 1, 3, 4, 5). Индуктор 7 выполнен в виде как минимум двухжильного кабеля, по одной жиле 14 или группе жил которого переменный ток протекает в прямом направлении к концу теплоспутника 5, а по другой жиле 15 или группе жил в обратном направлении, одна из жил или групп жил индуктора 7 имеет изолированный от жилы электрической изоляцией 17 экран 8 для экранирования электромагнитного поля таким образом, что общее электромагнитное поле жил и экрана кабеля взаимно не скомпенсировано и замыкается через теплоспутник 5 (фиг. 5). Экран 8 для выравнивания потенциалов соединяет противоположные концы теплоспутника 5 в водной коробке 11 и концевой коробке 12. Если теплоспутник 5 имеет разрывы или используется несколько теплоспутников 5, то потенциалы между последовательно размещенными теплоспутниками 5 выравниваются изолированными соединителями 6 внутри соединительных коробок 10 или вне соединительных коробок 10 (фиг. 1, 3). Теплоспутник 5 заканчивается концевой коробкой 12 (фиг. 1, 3), в которой жилы индуктора 7 для прямого и обратного тока замыкаются между собой. В зависимости от геометрии обогреваемого объекта и количества теплоспутников 5 индуктор 7 для удобства монтажа разбит на участки и скреплен соединительными муфтами 9 (фиг. 1, 3), которые расположены в соединительных коробках 10 (фиг. 1, 3). В начале индуктора 7 в силовой коробке 13 жилы индуктора 14 и 15 соединяются с источником переменного тока 1 (фиг. 1, 3). Подключение или отключение источника переменного тока 1 к индуктору 7 осуществляется через коммутирующее устройство 2 системой управления, содержащей по меньшей мере один датчик температуры 4, блок измерения электрических величин 16 и блок управления и защит 3, формирующий сигналы на подключении или отключение источника переменного тока 1 к индуктору 7 по заданному или адаптивному алгоритму или при выходе электрических параметров контура электрообогрева за установленные пределы.
Индукционно-резистивная система электрического обогрева работает следующим образом. При низкой температуре окружающей среды обогреваемый объект теряет тепло, вследствие чего уменьшается температура обогреваемого объекта, например, трубопровода или резервуара. Датчик температуры 4, установленный на поверхности обогреваемого объекта (фиг. 3), передает данные в блок управления и защит 3, который их анализирует и в соответствии со специальным или адаптивным алгоритмом выдает сигнал на замыкание или размыкание коммутирующего устройства 2. Также блок управления и защит 3 анализирует электрические параметры системы электрообогрева, напряжение, ток, величину электрической изоляции индуктора, ток утечки через электрическую изоляцию индуктора, измеряемые блоком измерения электрических величин 16, и в случае их выхода за установленные пределы выдает сигнал на отключение коммутирующего устройства 2.
При замыкании коммутирующего устройства 2, напряжение источника питания 1 подается на индуктор 7, вследствие этого по жилам 14 и 15 начинает протекать электрический ток. Так как одна из жил 15 экранирована, то электромагнитное поле этой жилы затухает в экране 8. В результате протекания электрического тока по экрану 8 и неэкранированной жиле 14 индуктора 7, расположенного в теплоспутнике 5, электромагнитным полем индуктора 7 внутри теплоспутника 5 индуцируются вихревые токи. В вводной коробке 11 и концевой коробке 12 экран 8 индуктора 7 соединяет противоположные концы теплоспутника 5, поэтому через теплоспутник 5 и экран 8 образуется контур для протекания тока под действием индуцированной индуктором 7 разницы потенциалов на противоположных концах теплоспутника 5. Так как теплоспутник 5 выполнен из ферромагнитного материала, например углеродистой конструкционной стали, а разница потенциалов на его концах отсутствует, то вихревые токи будут распределяться преимущественно на внутренней поверхности теплоспутника 5 в тонком слое. На наружной поверхности теплоспутника 5 электрический потенциал равен нулю и теплоспутник 5 можно заземлить, а систему обогрева использовать во взрывопожароопасных зонах и для обогрева затапливаемых и подземных объектов без появления токов утечки через поверхность теплоспутника 5. Толщина слоя, по которому распределены вихревые токи, определяется по формуле (3):
где δ - толщина слоя, мм;
μ - магнитная проницаемость вещества, Гн/м;
o
μ - магнитная постоянная, Гн/м;
σ - удельная электрическая проводимость, См/м;
- частота сети, Гц.
В результате теплового действия вихревых токов теплоспутник 5 нагревается и передает тепло обогреваемому объекту. Температура обогреваемого объекта увеличивается и когда достигает требуемого значения, блок управления 3 выдает сигнал на размыкание коммутирующего устройства 2.
На фиг. 3 условно показано крепление индукционно-резистивной системы электрического обогрева на трубопроводе с разветвлением.