СИСТЕМА ОБОГРЕВА ТРУБОПРОВОДОВ
PIPELINES HEATING SYSTEM

Изобретение относится к технике нагрева с помощью электромагнитных микро- и радиоволн, а именно может быть использовано для нагрева трубопроводов в различных отраслях народного хозяйства и техники, а также для защиты от замерзания продуктов, протекающих внутри трубопроводов.
Известны способ микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси и устройство для его осуществления [RU 2327865 С1, МПК Е21В 43/34, Н05В 6/64, опубл. 27.06.2008]. Устройство содержит узел ввода СВЧ-энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ-тракта, узел ввода обрабатываемой смеси, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ-энергии, отличающееся тем, что в узел ввода обрабатываемой смеси герметично установлены первый датчик температуры и блок измерения скорости потока, в выходном участке трубопровода вне зоны воздействия электромагнитного поля СВЧ также установлены второй датчик температуры, первый узел отбора обрабатываемой среды, соединяющий одновременно трубопровод с блоком измерения плотности, с блоком измерения теплоемкости, с блоком измерения теплопроводности, с блоком измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды, и установлен второй узел отбора, соединяющий одновременно блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости с трубопроводом, причем блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости, блок измерения температуры, блок измерения скорости потока соединены интерфейсами через ЭВМ с источником электромагнитных колебаний, при этом первый и второй датчики температуры соединены соответственно информационными проводами с блоком измерения температуры.
Недостатком данного устройства является невозможность транспортировки продукта по трубопроводу при использовании устройства, так как СВЧ-энергия подается через торец трубопровода. СВЧ-волна, введенная через торец волновода, заполненного средой с заданным тангенсом угла потерь на СВЧ, будет быстро затухать по мере удаления от места введения ее в трубопровод, что приведет к местному перегреву нефтепродуктов.
Известно устройство разогрева вязких диэлектрических продуктов при их транспортировке трубопроводами [RU 2439863 С1, МПК Н05В 6/64, опубл. 10.01.2012], содержащее источник микроволнового излучения, излучатели, волновод, коаксиально установленную внутри трубопровода трубу из радиопрозрачного материала, отличающееся тем, что на внутренней поверхности трубы из радиопрозрачного материала расположен волновод, выполненный в форме спиралевидной металлической полосы, на которой расположены на одинаковом друг от друга расстоянии, обеспечивающем беспрепятственное прохождение токов излучения, выполненные в виде щелей излучатели, источник микроволнового излучения соединен со спиралевидной полосой с излучателями через коаксиальный кабель. Данное устройство наиболее близко по технической сущности и принято за прототип.
Недостатком прототипа является наличие установленного внутри трубопровода излучателя, который ухудшает транспортировку продукта по трубопроводу. Излучатель соединен с источником микроволнового излучения при помощи коаксиального кабеля, проходящего через небольшое отверстие в трубопроводе. Такое исполнение устройства может привести к разгерметизации трубопровода. Также может произойти пробой напряжения от излучателя на стенку трубопровода. Все описанные выше недостатки могут привести к серьезным авариям и выходу из строя дорого технологического оборудования.
Задачей изобретения является создание системы обогрева трубопроводов при помощи электромагнитных микро- и радио волн, при осуществлении которой достигается технический результат, заключающийся уменьшении негативного влияния системы СВЧ-обогрева на эксплуатационные характеристики трубопровода, такие как герметичность, взрыво- и пожаробезопасность и т.д.
Указанный технический результат достигается тем, что система обогрева трубопроводов содержит источник электромагнитных микро- или радиоволн, волновод выполнен круглой или прямоугольной формы, который при помощи передающего тракта соединен одним концом с источником электромагнитных микро- или радиоволн, а другой конец замкнут, включение или отключение источника микроволнового излучения осуществляется системой управления, содержащей, по меньшей мере, один датчик температуры и блок системы управления.
На фиг. 1 - изображен контур системы обогрева трубопроводов, содержащий источник электромагнитного излучения, волновод и обогреваемый трубопровод.
На фиг. 2 - изображена простая структурная схема системы управления обогревом.
На фиг. 3 - изображен разрез круглого и прямоугольного волноводов.
Система обогрева трубопроводов содержит волновод 2 круглой или прямоугольной формы, замкнутый на одном из концов, устанавливаемый на внешнюю поверхность трубопровода 1 (фиг. 1, 3). Волновод 2 снаружи может быть покрыт изоляционным материалом, например термопластиком или фторополимером, для защиты от коррозии или механических повреждений. Длина волновода 2 зависит от параметров обогреваемого трубопровода 1, например длины. Толщина d стенки волновода 2 больше глубины δ проводящего скин-слоя (фиг. 3). Глубина δ скин-слоя зависит от частоты и удельной проводимости металла, из которого изготовлен волновод. Глубина δ скин-слоя [1] определяется по формуле (1):
0
где δ - глубина скин-слоя, мм; µ - магнитная проницаемость вещества, Гн/м; µ - магнитная постоянная, Гн/м; σ - удельная электрическая проводимость, См/м; f - частота микроволнового излучения, Гц.
К примеру, на частоте 2,45 ГГц глубина проникновения поля составляет от 1,3 мкм для меди и до 10 мкм для нержавеющей стали.
Источник 3 электромагнитных микро- или радиоволн на другом конце волновода 2 соединен с ним при помощи передающего тракта 4 (фиг. 1). Управление источником 3 электромагнитных микро- и радиоволн осуществляется системой управления, включающей в себя, по крайней мере, один датчик температуры 5, устанавливаемый на внешнюю поверхность трубопровода 1, блок управления 7, датчик температуры 6, устанавливаемый на внешнюю поверхность волновода 2 (фиг. 1, 2). Датчики температуры 5, 6 соединены с блоком управления 7, например кабелями или по радиосигналу. Таким образом, система управления включает в себя устройства, которые измеряют показания (датчики температуры 5, 6), устройство (блок управления 7), которое анализирует, включает или отключает источник 3 микроволнового излучения.
Система обогрева трубопроводов работает следующим образом.
При транспортировке продукта по трубопроводу 1 происходит потеря тепла через теплоизоляцию. Температура продукта уменьшается и при отрицательных температурах может понизиться до температуры кристаллизации, что приведет к закупорке трубопровода 1. В среднем для часто используемых материалов теплоизоляции, например минеральной ваты, и стандартных диаметров трубопровода тепловые потери составляют порядка 20-60 Вт/м. Датчик 5, установленный на поверхность трубопровода 1, передает сигнал в блок управления 7, который его анализирует и включает или отключает источник 3 электромагнитных микро- или радиоволн (фиг. 1, 2). При включении источника 3 электромагнитных микро- или радиоволн в волноводе 2 создается стоячая электромагнитная волна, так как электромагнитная микро- или радиоволна, отразившись от замкнутой стенки волновода 2, передается обратно к источнику 3 электромагнитных микро- и радиоволн. Из-за потерь энергии электромагнитной микро или радиоволны в стенках волновода 2 она постепенно затухает. Потери энергии нагревают волновод 2, от которого тепло передается трубопроводу, предотвращая кристаллизацию продукта. Так как глубина δ скин-слоя меньше толщины d стенки волновода 2, то снаружи он электрички нейтрален и его можно заземлить (фиг. 1, 3). Во избежание перегрева волновода 2 на его поверхность установлен датчик температуры 6, который передает сигнал в блок управления 7 и при увеличении температуры выше максимально допустимой отключает источник 3 электромагнитных микро- или радиоволн. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обогреть трубопровод, не нарушая его целостности.
Список использованных источников
1. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: учеб. пособие в 10 т. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Наука, 1982. - Т. VIII. Электродинамика сплошных сред. - 484 с.