УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Данное техническое решение относится к средствам обогрева промышленных объектов, таких как резервуары, цистерны, трубопроводы, в которых содержится среда, требующая подогрева в процессе эксплуатации. В случае использования устройства для обогрева трубопровода, предполагается подогрев транспортируемой по нему текучей среды. Устройство предназначено для его использования преимущественно в области строительства.
Известна труба, содержащая трубку нагрева, нагреваемую электрическим устройством нагрева, которое имеет контур электрического проводника, подключенного к источнику питания переменного тока и вставленного, по меньшей мере, в одну трубку из ферромагнитного металла по всей длине трубы, при этом изнутри трубки она электрически изолирована, а также вторичный контур электрического проводника, состоящего из, по меньшей мере, одной трубы из ферромагнитного металла и, по меньшей мере, одного проводника, имеющего сравнительно низкое сопротивление (US 3515837 А, 02.06.1970). В этом устройстве вторичный ток генерирует тепло без значительного количества электрического тока. Недостатком данного устройства является отсутствие средств контроля температуры теплогенерирующей трубки. В результате возникает возможность перегрева нагреваемой трубы, что приводит к снижению надежности работы устройства.
В патенте US 4617449 представлено устройство для нагрева трубопровода, содержащее закрепленные на поверхности трубопровода трубки, в которых расположен электрокабель, причем электрокабель использован таким, в котором имеется эффект воздействия переменного тока на стенку трубопровода. В патенте предусмотрен способ и устройство для соединения отрезков кабеля. В одном из вариантов исполнения кабель включает в себя многожильный медный проводник, окруженный полупроводящим слоем, который образован карбонизированной тетрафторэтиленовой лентой, которая окружает основной изоляционный слой, образованный прессованной смолой, толщина которого определена по уравнению эксцентричного расположения силового кабеля в тепловой трубе. Во втором варианте, кабель состоит из центрального проводника, окруженного полупроводниковым слоем, а затем основной слой изоляции, образованный смолой под давлением. Оголенные проводники механически соединены и покрыты спирально завернутой углеродной пленкой (US 4617449, 14.10.1986).
Близким аналогом к представленному в данном описании техническому решению является 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 для повышения работоспособности обогреваемого трубопровода он снабжен дополнительной нагревающей трубкой из ферромагнитного материала, образующей пару с первоначальной ферромагнитной нагревательной трубкой, 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. Токовый проводник расположен в дополнительной нагревательной трубке. Трубки выполнены прерывистыми, при этом «прерывистость» каждой из трубок в описании и на чертежах не раскрыта (RU 93130 U1, 20.04.2010).
Техническое решение по патенту RU 93130 U1 обеспечивает возможность нагрева его локальных зон и исключает нагрев зон, в которых этот нагрев нежелателен, причем по периметру трубопровода его нагрев не является удовлетворительным с точки зрения равномерности нагрева транспортируемой текучей среды в трубопроводе в радиальном направлении от стенки трубопровода к его продольной оси. Теплопередача от греющей трубки к нагреваемому объекту зависит от плотности их контакта и формы трубок.
Другим близким аналогом к представленному в данном описании устройству является полезная модель, в которой описано устройство для электрического подогрева технологических объектов вихревыми токами, содержащее источник питания переменного тока, по меньшей мере, одну нагревательную трубку, выполненную из ферромагнитного материала, внутри которой протянут электропроводник, и коммутирующее устройство, причем концы проводника соединены с выходами коммутирующего устройства, а входы коммутирующего устройства - с источником питания переменного тока. В этом устройстве управление коммутирующим устройством осуществляется системой управления, содержащей, по меньшей мере, один датчик температуры и блок управления, причем в зависимости от геометрии обогреваемого объекта и количества нагревательных трубок электропроводник разбит на участки, которые скреплены между собой муфтами, расположенными в протяжных коробках. Техническим результатом этой полезной модели является обеспечение возможности регулирования температуры нагреваемого объекта в заданном интервале. При этом в устройстве датчик температуры может быть установлен на поверхности обогреваемого объекта и соединен с блоком управления посредством кабеля или посредством радиосигнала. Система управления процессом обогрева объекта позволяет путем измерения температуры объекта датчиком и ввода данных от датчика в блок управления анализировать процесс нагрева объекта и выдавать сигнал на замыкание или размыкание коммутирующего устройства, осуществляющего подачу тока или его прерывание. Для уменьшения трения при протягивании проводника через нагревательные трубки при большом их количестве или сложной геометрии обогреваемого объекта применены протяжные коробки и соединительные муфты, что позволяет использовать отдельные участки кабеля меньшей длины с целью снижения трудоемкости монтажных работ при монтаже устройства на обогреваемом объекте. При работе устройства в случае уменьшения температуры окружающей среды происходит потеря тепла обогреваемого объекта. При этом датчик температуры, установленный на поверхности обогреваемого объекта, передает данные в блок управления. В результате анализа полученных данных от датчика выдается сигнал на замыкание коммутирующего устройства. При замыкании по проводнику, расположенному в нагревательной трубке передается электрический ток и внутри нагревательной трубки возникают вихревые токи. Так как нагревательная трубка выполнена из стального ферромагнитного материала, то вихревые токи распределяются преимущественно на внутренней поверхности трубки, при том, что на наружной поверхности трубки электрический потенциал равен нулю. В результате образования вихревых токов нагревательная трубка нагревается и передает тепло обогреваемому объекту. При повышении температуры обогреваемого объекта сверх заданного параметра блок управления выдает сигнал на размыкание коммутирующего устройства, при этом температура обогреваемого объекта снижается (RU 154343 U1 20.08.2015). Коммутирующее устройство по существу является средством соединения устройства с источником электропитания и отсоединения, поскольку оно согласно описанию выполняет операции соединения и отсоединения устройства от источника электропитания.
Недостатком решения, представленного в патенте RU 154343 U1, является его неудовлетворительная надежность, связанная с невозможностью размыкания цепи электрического тока в случаях ее короткого замыкания. Другим недостатком является сравнительно большая трудоемкость, связанная с необходимостью соединения отрезков кабеля муфтами с применением монтажных коробок, при этом наличие коробок существенно усложняют конструкцию устройства и также снижает его надежность.
Техническим результатом полезной модели, представленной в данном описании, является повышение надежности устройства для обогрева промышленных объектов.
Технический результат получен устройством для обогрева промышленных объектов, содержащим электрокабель, средство соединения концов электрокабеля с источником электропитания переменного тока, закрепленные на обогреваемом объекте греющие трубки из ферромагнитного материала, внутри которых расположены ветви электрокабеля, простирающиеся вдоль обогреваемого объекта, датчик температуры, закрепленный на обогреваемом объекте и блок управления, соединенный с датчиком температуры, причем средство соединения включает трансформатор-преобразователь и соединенный с ним регулятор напряжения и тока, который электрически соединен с блоком управления, при этом греющие трубки расположены на обогреваемом объекте группами так, что в одной группе греющих трубок расположена одна ветвь электрокабеля, а в другой группе трубок расположена другая ветвь электрокабеля.
Внутренняя поверхность каждой греющей трубки имеет диэлектрическое покрытие на основе частиц стекла, полученное путем остеклования внутренней поверхности трубки - напылением частиц стекла на внутреннюю поверхность греющей трубки.
Источник электропитания переменного тока выполнен двухфазным и каждая его фаза соединена с соответствующей ветвью электрокабеля через трансформатор-преобразователь и регулятор напряжения и тока.
Источник электропитания переменного тока выполнен трехфазным и каждая его фаза соединена с соответствующей ветвью электрокабеля через трансформатор-преобразователь и регулятор напряжения и тока, при этом устройство содержит третью ветвь электрокабеля, расположенную в третьей группе греющих трубок, причем одни концы электрокабеля соединены через регулятор напряжения и тока и трансформатор-преобразователь с источником электропитания переменного тока, а другие концы ветвей электрокабеля соединены между собой.
Греющие трубки, датчик и электрокабель расположены в теплоэлектроизоляционном слое обогреваемого объекта.
Греющие трубки расположены ниже горизонтальной оси симметрии обогреваемого объекта.
На фиг. 1 показана схема устройства для обогрева промышленных объектов на примере обогрева трубопровода устройством от источника переменного двухфазного тока.
На фиг. 2 - греющая трубка устройства в поперечном разрезе.
На фиг. 3 показана схема устройства для обогрева промышленных объектов на примере обогрева трубопровода устройством от источника переменного трехфазного тока.
Устройство для обогрева промышленного объекта представлено на примере обогрева трубопровода 1 (фиг. 1), который может быть выполнен из металла или полимерного материала. Устройство представлено в двух исполнениях, одно из которых предназначено для работы с двухфазным источником переменного тока, а второе исполнение предназначено для работы с трехфазным источником переменного тока.
Устройство содержит закрепленные на трубопроводе U-образные петли электрического изолированного кабеля, имеющего ветвь 2, простирающуюся в прямом направлении вдоль трубопровода 1 и ветвь 3, простирающуюся в обратном направлении вдоль трубопровода. Кабель имеет закругленный участок, переходящий в его ветви 2 и 3.
Устройство имеет множество греющих трубок 4, которые предпочтительно закреплены на трубопроводе ниже его середины (на схемах не показано). Через внутренние полости трубок насквозь проходят указанные ветви электрокабеля. Каждая греющая трубка 4 закреплена на наружной поверхности трубопровода 1 по наиболее оптимальной схеме расположения трубок вдоль продольной оси симметрии трубопровода так, чтобы тепло от трубок, поднимающееся вверх, нагревало часть трубопровода, расположенного ниже и выше продольной оси симметрии трубопровода или иного обогреваемого объекта.
Каждая греющая трубка 4 представляет собой отдельный греющий элемент. В одном исполнении трубки могут быть расположены и закреплены на трубопроводе так, что их торцы 5 состыкованы друг с другом (фиг. 1). В другом исполнении устройства греющие трубки расположены на трубопроводе с промежутками 6 между торцами 5 греющих трубок.
Секционный принцип расположения греющих трубок на обогреваемом объекте позволяет располагать на нем каждую трубку в заданном расчетном месте для оптимального нагрева трубопровода, когда минимальное количество тепла рассеивается в пространстве вокруг трубопровода. Греющие трубки 4 устройства, расположенные встык, образуют собой одну длинную секцию. Греющие трубки могут иметь соответственно контуры трубопровода крестообразные, т-образные, г-образные и иные контуры в горизонтальной и вертикальной плоскостях в случае их проектного смещения относительно друг друга (на схеме контурные расположения трубок не показаны). В случае расположения группы греющих трубок с промежутками 6 между их торцами обеспечивается равномерность нагрева трубопровода по его длине и высоте. Промежутки между греющими трубками также обеспечивают в процессе монтажа возможность их оптимального расположения на трубопроводе путем смещения относительно ветви кабеля, при этом промежутки 6 уменьшают сопротивление перемещению электрокабеля в греющих трубках в процессе монтажа устройства на трубопроводе.
Каждая ветвь кабеля расположена в соответствующей ей одной или нескольких группах отдельных греющих трубок. Каждая греющая трубка 4 выполнена из ферромагнитной стали, внутренняя поверхность трубки может иметь диэлектрическое покрытие 7, полученное, например, путем остеклования поверхности - напыления частиц стекла на внутреннюю поверхность трубки, что не исключает иные диэлектрические покрытия внутренних поверхностей трубок.
Установлено оптимальное соотношение длины ветви кабеля, его диаметра и внутреннего диаметра греющей трубки с точки зрения сохранности изоляции кабеля при его протаскивании через трубку.
Электрокабель, образующий собой ветви 2 и 3 устройства, выполнен в соответствии с установленными требованиями на изготовление электрокабелей, при этом наличие в греющей трубке изолирующего слоя обеспечивает возможность использования электрокабеля, отвечающего наименьшим требованиям к его электроизоляции, что позволяет использовать в устройствах обогрева менее дорогие кабели с менее сложной и дорогой электроизоляцией.
В одном исполнении каждая греющая трубка 4 преимущественно соединена с трубопроводом сваркой, причем швы сварки расположены в зонах прилегания наружной поверхности греющей трубки к поверхности трубопровода, а в другом исполнении устройства каждая греющая трубка устройства может быть соединена с трубопроводом стяжкой (не показана). Возможны иные исполнения соединения греющих трубок с трубопроводом. В другом исполнении наружная поверхность греющей трубки 4 может иметь защитное покрытие 8 из полимерного материала, обеспечивающего возможность приклеивания трубки к трубопроводу 1.
Устройство содержит последовательно расположенные и соединенные между собой трансформатор-преобразователь 11 и регулятор 10 напряжения и тока. Устройство получает электропитание от источника 12 переменного тока, который электрически соединен с трансформатором-преобразователем 11, который имеет средства для изменения частоты переменного тока.
Концы 9 (фиг. 1) ветвей 2 и 3 электрокабеля электрически соединены с регулятором 10 напряжения и тока, ветви соединены с трансформатором-преобразователем 11. Регулятор 10 напряжения и тока соединен с датчиком 13 температуры через блок 14 управления. Датчик 13 температуры закреплен на наружной поверхности трубопровода 1, причем он может быть соединен с регулятором напряжения как электрическими, так и электромагнитными средствами.
Второе исполнение устройства для обогрева промышленного объекта на примере обогрева трубопровода (фиг. 3) выполнено аналогично вышеописанному первому исполнению, с той разницей, что второе исполнение в отличие от первого исполнения имеет электропитание от источника 15 переменного трехфазного тока и вместо двух ветвей электрокабеля второе исполнение устройства имеет три ветви 16, 17 и 18 электрокабеля, простирающиеся вдоль трубопровода 1. С одного конца трубопровода 1 концы ветвей электрокабеля соединены с регулятором 10 напряжения и тока, с другого конца трубопровода - на выходе из крайних греющих трубок 4 - ветви 16, 17 и 18 электрически соединены между собой.
В случаях обогрева длинных трубопроводов каждое исполнение устройства может иметь муфты 19, соединяющие участки ветвей электрокабеля так, как это показано на фиг. 1 и 3. Греющие трубки 4, трубопровод 1, датчик 13 ветви 2 и 3 электрокабеля расположены преимущественно в теплоэлектроизоляционном слое.
В случаях использования устройства обогрева на других объектах, например, на крупногабаритных резервуарах, греющие элементы также располагают и закрепляют на поверхности резервуара, преимущественно ниже его горизонтальной оси симметрии.
Устройство в первом его исполнении (фиг. 1) работает следующим образом. Включают устройство в работу путем соединения ветвей 2 и 3 с источником 12 двухфазного переменного тока. При этом под воздействием переменного магнитного поля внутри греющих трубок возникают вихревые токи. В результате возмущения от вихревых токов, каждая нагревательная трубка нагревается и передает тепло обогреваемому объекту. Так как каждая греющая трубка выполнена из ферромагнитной стали, то вихревые токи распределяются преимущественно на внутренней поверхности каждой нагревательной трубки, при этом на наружной поверхности греющей трубки электрический потенциал будет равен нулю.
В случае перегрева обогреваемого объекта, срабатывает датчик 13 температуры и сигнал с датчика поступает в блок управления 14, который управляет регулятором напряжения и тока. Напряжение и ток уменьшаются, уменьшая нагрев греющих трубок. В случае перегрузки силовой цепи электропитания устройство защищает обогрев объекта от внешнего источника электропитания переменного тока.
Устройство, изготовленное в его втором исполнении, работает аналогично первому исполнению устройства, при этом трансформатор-преобразователь 11 позволяет симметрично распределить нагрузку от источника переменного трехфазного тока.
Устройство, представленное в данном описании, является более надежным и безопасным в работе, поскольку оно оснащено такими средствами защиты, которые позволяют защитить питающую электросеть и элементы устройства в случае возрастания тока в устройстве.