ОБОГРЕВАЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОБОГРЕВА ПРОМЫШЛЕННОГО ОБЪЕКТА
HEATING ELEMENT OF DEVICE FOR HEATING OF INDUSTRIAL FACILITY

Данное техническое решение относится к средствам обогрева промышленных объектов, таких как резервуары, цистерны, трубопроводы, в которых содержится текучая среда, требующая подогрева в процессе эксплуатации, в частности, к конструктивным элементам устройств для обогрева промышленных объектов.
Известна труба, содержащая трубку нагрева, нагреваемую электрическим устройством нагрева, которое имеет контур электрического проводника, подключенного к источнику питания переменного тока и вставленного в по меньшей мере одну трубку из ферромагнитного металла по всей длине трубы, при этом изнутри трубка 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 основным слоем электроизоляции, образованной смолой под давлением. Оголенные проводники механически соединены и покрыты спирально завернутой углеродной пленкой (US 4617449, 14.10.1986).
Другим близким аналогом к представленному в данном описании устройству является полезная модель по патенту RU 154343 U1, 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 в зависимости от геометрии обогреваемого объекта и количества нагревательных трубок электропроводник разбит на участки, которые скреплены между собой муфтами, расположенными в протяжных коробках. 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 путем уменьшения трения скольжения между электроизоляцией кабеля и внутренней поверхностью нагревательной трубки. 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 (RU 154343 U1 20.08.2015). Недостатком полезной модели по патенту RU 154343 U1 является сравнительно большая трудоемкость, связанная с необходимостью соединения отрезков кабеля муфтами с применением монтажных коробок, при этом наличие коробок и муфт существенно усложняют конструкцию устройства и также снижает его надежность. Необходимость соединения отрезков кабеля муфтами связана с необходимостью изготовления сравнительно коротких нагревающих трубок в связи с большой трудоемкостью протаскивания кабеля через длинные нагревающие трубки.
Близким аналогом является известная остеклованная изнутри труба, которая может быть использована для нагрева перекачиваемой через нее жидкости (SU 656995 А1, 15.04.1979). Остеклованная изнутри труба имеет защитный слой из стекла, а также электропроводный слой под защитным слоем. Данный аналог относится к трубам, которые могут быть использованы (кроме указанных в описании целей) для перекачивания жидкостей с возможностью их подогрева в трубах. При этом остеклованная изнутри труба не предназначена для ее использования обогрева промышленного объекта снаружи объекта путем передачи тепла стенке объекта с его наружной стороны, при этом такая труба при перекачивании через нее жидкости в виде нефти является крайне пожароопасной, поскольку электропроводящий слой расположен в трубе.
Другим близким аналогом является обогревающий элемент (нагревательная трубка) из ферромагнитного материала с электропроводником в нем (электрокабелем в электроизоляции), подключенным к источнику переменного тока, при этом обогревающий элемент содержится в устройстве, используемом на обогреваемом трубопроводе, который снабжен дополнительным обогревающим элементом из ферромагнитного материала, образующим пару с первым обогревающим элементом. Электропроводник расположен в обогревающих элементах в прямом и обратном направлениях трубопровода, протянут через обогревающие элементы и соединен с источником переменного тока, к которому подключены концы электропроводника. На промышленном объекте - протяженном трубопроводе закреплено множество обогревающих элементов, которые в своем множестве последовательно закреплены на наружной поверхности трубопровода в прямом и обратном направлениях (RU 93130 U1, 20.04.2010).
Существенным недостатком обогревающего элемента по патенту RU 93130 U1 является то, что при протяжке электрокабеля через обогревающие элементы в процессе монтажа устройства на трубопроводе возникает существенное трение скольжения между внутренней поверхностью каждого обогревающего элемента и поверхностью электроизоляции электрокабеля. При монтаже устройства, на пути движения электропроводника в группе состыкованных обогревающих элементов, образуются выступающие кромки торцов этих элементов из-за погрешностей взаимного расположения элементов относительно друг друга.
Выступающие кромки торцов обогревающих элементов приводят к дополнительному сопротивлению протягиванию электропроводника через множество обогревающих элементов и к повреждению электроизоляции электропроводника. В результате возникает необходимость использования электрокабеля с повышенной прочностью электроизоляции и повышенной его стоимостью. В результате, установлено, что известный обогревающий элемент не защищает электропроводник от поврежденной его изоляции и от пробоя в процессе работы устройства.
Общими признаками близкого по сущности и назначению аналога и обогревающего элемента, представленного в данном описании изобретения, является то, что обогревающие элементы служат для обогрева промышленных объектов и каждый из них содержит выполненную из ферромагнитного материала оболочку, образующую собой обогревающий элемент для обогрева промышленного объекта. С учетом известной остеклованной изнутри трубы, установлено, что по существу из уровня техники известен обогревающий элемент, состоящий из протяженной оболочки, выполненной из ферромагнитного материала и покрытия на основе частиц стекла, расположенного в полости оболочки.
Техническим результатом изобретения, представленного в данном описании, является снижение усилия перемещения электропроводника в обогревающих элементах и повышение электрозащиты электропроводника внутри обогревающего элемента.
Технический результат получен обогревающим элементом устройства для обогрева промышленного объекта, состоящим из протяженной оболочки из ферромагнитного материала и покрытия на основе частиц стекла в полости оболочки, при этом покрытие нанесено напылением частиц стекла на внутренюю поверхность и на каждую торцовую наружную поверхность обогревающего элемента, при этом каждая торцовая поверхность обогревающего элемента выполнена закругленной.
Покрытие нанесено на внутреннюю, наружную и каждую торцовую поверхность обогревающего элемента.
В стенке элемента выполнены дренажные отверстия, на поверхность каждого из которых нанесено покрытие.
Изобретение поясняется устройством обогрева, в котором используется группа обогревающих элементов, обеспечивающих нагрев трубопровода с расположенной в нем текучей средой.
На фиг. 1 показана группа обогревающих элементов, входящая в состав устройства для обогрева промышленных объектов на примере обогрева протяженного трубопровода.
На фиг. 2 - обогревающий элемент в поперечном разрезе с охватывающей его наружной термоизоляцией и с внутренним покрытием.
На фиг. 3 - обогревающий элемент в поперечном разрезе с наружным и внутренним покрытиями.
На фиг. 4 - обогревающий элемент в поперечном разрезе с внутренним покрытием.
На фиг. 5 - обогревающий элемент в поперечном разрезе с наружным и внутренним покрытиями и электропроводником (электрокабелем), расположенным внутри обогревающего элемента.
На фиг. 6 - обогревающий элемент в поперечном разрезе с внутренним покрытием и электропроводником, расположенным внутри обогревающего элемента.
На фиг. 7 - обогревающий элемент в продольном разрезе с расположенным в нем электропроводником.
На фиг. 8 - узел А на фиг. 7.
На фиг. 9 - схема нижнего расположения пары обогревающих элементов, расположенных на обогреваемом объекте на примере протяженного трубопровода.
На промышленном обогреваемом объекте, например, на трубопроводе 1 (фиг. 1), зафиксированы в рабочем положении ветви 2 и 3 электропроводника. В данном частном случае исполнения устройства электропроводник представляет собой изолированный изоляцией электрокабель.
Ветви 2 и 3 электрокабеля свободно расположены в обогревающих элементах 4, каждый из которых выполнен в виде ферромагнитной трубки и входит в состав устройства обогрева промышленного объекта. Две ветви 2 и 3 образуют одну U-образную петлю электрокабеля. Ветвь 2 простирается в прямом направлении вдоль трубопровода, ветвь 3 простирается в обратном направлении вдоль трубопровода.
Устройство имеет множество обогревающих элементов 4, которые предпочтительно закреплены на трубопроводе ниже его середины (фиг. 9). Через внутренние полости обогревающих элементов 4 насквозь проходят указанные ветви электрокабеля (фиг. 7). Каждый обогревающий элемент 4 закреплен на наружной поверхности трубопровода 1 по наиболее оптимальной схеме расположения вдоль продольной оси симметрии трубопровода так, чтобы тепло от каждого обогревающего элемента, поднимающееся вверх, нагревало часть трубопровода, расположенного ниже и выше продольной оси симметрии трубопровода. Обогревающие элементы 4 могут быть выполнены сравнительно короткими (фиг. 1, левые элементы 4) или сравнительно длинными (фиг. 1, правый верхний элемент 4).
В одном исполнении обогревающие элементы 4 могут быть расположены и закреплены на трубопроводе так, что их торцы 5 состыкованы друг с другом (фиг. 1, левые верхние элементы 4). В другом исполнении устройства обогревающие элементы 4 расположены на трубопроводе с промежутками 6 между торцами 5 нагревающих элементов.
Практически, множество состыкованных между собой без зазоров обогревающих элементов 4 (фиг. 1, левые элементы 4) могут представлять собой одну сравнительно длинную ферромагнитную трубку, выполненную из множества обогревающих элементов (по сути являющимися секциями длинного обогревающего элемента). В случае, если между торцами 5 обогревающих элементов 4 (фиг. 1, нижние элементы 4) имеются промежутки 6, то такая схема расположения элементов 4 на обогреваемом трубопроводе позволяет располагать на нем каждый элемент 4 в заданном расчетном месте для оптимального нагрева трубопровода с целью минимальной затраты количества тепла на обогрев трубопровода путем сокращения тепла на его рассеивание в пространстве вокруг трубопровода.
Сравнительно короткие обогревающие элементы 4, расположенные на трубопроводе, в совокупности образовывают контуры, соответствующие контурам трубопровода. Эти контуры могут быть крестообразными, т-образными, г-образными и иными контурами, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях в соответствии с проектным расположением элементов 4 относительно друг друга. Промежутки 6 между обогревающими элементами 4 уменьшают сопротивление перемещению электрокабеля во внутренних полостях обогревающих элементов 4 в процессе монтажа устройства на трубопроводе при протаскивании электрокабеля через эти внутренние полости.
С целью уменьшения сопротивления перемещению электрокабеля во внутренних полостях обогревающих элементов 4, на внутренней поверхности каждого обогревающего элемента 4 нанесено антифрикционное покрытие 7 (фиг. 2-6,8), обладающее также диэлектрическими свойствами. С целью исключения повреждения электроизоляции ветвей 2 и 3 электрокабеля при протаскивании их через полости обогревающих элементов 4, каждый торец 5 элемента 4 выполнен с закруглением 18 (фиг. 8), причем на закругленной поверхности торца элемента 4 также имеется покрытие 19 с указанными свойствами, аналогичными покрытию 7. Покрытие 19 является продолжением покрытия 7.
Покрытие 7 получено путем остеклования поверхности - напыления частиц стекла под давлением на внутренней поверхности обогревающего элемента и на другие поверхности, что не исключает иные антифрикционные диэлектрические покрытия поверхностей обогревающего элемента с указанными свойствами покрытий.
Каждая ветвь кабеля расположена в соответствующей ей одной или нескольких группах отдельных обогревающих элементов 4. Каждый обогревающий элемент 4 выполнен из ферромагнитной стали. Электрокабель, образующий собой ветви 2 и 3 устройства выполнен в соответствии с установленными требованиями на изготовление электрокабелей, при этом наличие в обогревающем элементе слоя покрытия 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 устройства соединения каждый обогревающий элемент 4 соединен с трубопроводом сваркой. В этом случае наружная поверхность элемента 4 выполнена гладкой и не имеет покрытия, поскольку она сваркой прикреплена к наружной поверхности трубопровода. В другом исполнении обогревающий элемент 4 имеет на наружной поверхности защитное покрытие из полимерного материала, показанного на фиг. 2 крестообразной штриховкой. В этом случае полимерный материал обеспечивает прочное соединение путем приклеивания обогревающего элемента 4 к трубопроводу 1. Защитное покрытие элемента 4 может быть выполнено из другого материала, обладающего свойствами прочного сцепления с трубопроводом.
В одном исполнении обогревающего элемента 4 его вышеуказанное покрытие 7 на основе стекла нанесено на внутреннюю поверхность элемента 4. В другом исполнении обогревающего элемента покрытие 7 нанесено на внутреннюю поверхность и на каждую торцовую поверхность 5 обогревающего элемента, при этом каждая торцовая поверхность обогревающего элемента выполнена закругленной. В третьем исполнении обогревающего элемента 4 покрытие нанесено на внутреннюю, наружную и каждую торцовую поверхность обогревающего элемента так, как это показано на фиг. 8. Покрытие нанесено напылением частиц стекла под давлением на поверхность обогревающего элемента.
Монтаж обогревающих элементов 4 на обогреваемом объекте на примере протяженного трубопровода 1 осуществляют следующим образом. Ветвь 2 электрокабеля (фиг. 1) протаскивают через полости верхних элементов 4 и один конец 9 ветви соединяют с регулятором 10 напряжения и тока, а другой конец ветви 2 соединяют с муфтой 15 устройства. Затем ветвь 3 электрокабеля протаскивают через полости нижних элементов 4 и один конец ветви 3 соединяют с муфтой 15 устройства, а другой нижний конец 9 ветви 3 соединяют с регулятором 10 напряжения и тока. При протаскивании ветвей 2 и 3 через полости обогревающих элементов 4, благодаря антифрикционному покрытию 7, расположенному на внутренней поверхности каждого обогревающего элемента 4, усилие на протаскивание ветвей электрокабеля снижается за счет уменьшения трения скольжения между поверхностью покрытия 7 элемента 4 и электроизоляцией 16 электрокабеля (фиг. 7). Уменьшение трения скольжения уменьшает износ электроизоляции, а диэлектрические свойства покрытия 7 повышают защищенность электропроводника 17, расположенного внутри электроизоляции 16. В результате добавленная защищенность электропроводника 17 позволила применять в производстве электрокабели с менее сложной и дорогостоящей электроизоляцией.
В случае монтажа на обогреваемом объекте множества обогревающих элементов 4, расположенных на одной прямой линии или со смещением относительно этой линии, закругления 18 торцов (фиг. 8) каждого элемента 4, каждый из которых имеет указанное покрытие 19, обеспечивает свободное вхождение ветви электрокабеля в элемент 4 и скольжение электроизоляции 16 по покрытию 19 закругленного торца без повреждения электроизоляции 16. Покрытие 19 торца имеет аналогичные свойства с покрытием 7. Являющееся продолжением покрытия 7, покрытие 19 защищает электроизоляцию электрокабеля в случае смещения элементов относительно друг друга. Закругленность каждого торца элемента 4 исключает в обогревающем элементе режущие кромки торцов элементов, оно также исключает кромки на торцах элемента в случае, если они имеют фаски, образующие режущие ребра в местах перехода поверхности фаски во внутреннюю поверхность элемента 4.
При монтаже обогревающих элементов 4 в их ином исполнении, каждый обогревающий элемент может быть закреплен на поверхности обогреваемого объекта клеем или липкой лентой, что исключает необходимость применения сварки.
Для обеспечения прочности и надежности соединения каждого обогревающего элемента, его наружная поверхность, имеющая покрытие 8 из частиц стекла (фиг. 3) также обладает свойствами повышенной сцепляемости с клеем или липкой лентой, что исключает необходимость использования сварки для соединения элемента 4 с наружной поверхностью обогреваемого объекта. В случае образования конденсата в полостях обогревающих элементов 4, влага выводится из полостей элементов через дренажные отверстия 20, выполненные в стенках элементов 4, что существенно в целях сохранения тепла вокруг обогреваемого объекта, сокращения расхода электроэнергии на обогрев, повышения срока службы обогревающих элементов и электроизоляции ветвей электрокабеля.
Работа обогревающего элемента поясняется работой устройства. Данное устройство, показанное на фиг. 1, представляет собой 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 соединены с регулятором 10 напряжения и тока, последний соединен 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. Обогревающие элементы 4, трубопровод 1, датчик 13, ветви 2 и 3 электрокабеля расположены преимущественно в теплоизоляционном слое 21 трубопровода 1 (не показано). В случаях использования устройства обогрева на других объектах, например, на крупногабаритных резервуарах, обогревающие элементы 4 располагают и закрепляют на поверхности резервуара, преимущественно ниже его горизонтальной оси симметрии.
Обогревающие элементы 4 работают в совокупности с работой устройства (фиг. 1), для чего включают устройство в работу путем соединения ветвей 2 и 3 с источником 12 двухфазного переменного тока. При этом под воздействием переменного магнитного поля внутри обогревающих элементов 4 возникают вихревые токи. В результате возмущения вихревых токов, каждый обогревающий элемент 4 нагревается и передает тепло обогреваемому трубопроводу 1. Так как каждый обогревающий элемент 4 выполнен из ферромагнитной стали, то вихревые токи распределяются преимущественно на его внутренней поверхности, а на его наружной поверхности электрический потенциал устанавливается равным нулю.
В случае перегрева обогреваемого объекта, срабатывает датчик 13 температуры и сигнал с датчика поступает в блок управления 14 (фиг. 1), который управляет работой регулятора 10 напряжения и тока. Напряжение и ток уменьшаются, уменьшая нагрев греющих трубок. В случае перегрузки силовой цепи устройство защищает внешний источник переменного тока.
Таким образом, выполнение обогревающего элемента с покрытием, закругленными торцами, дренажными отверстиями позволило существенно снизить сопротивление перемещению электрокабеля в полости элемента, облегчить монтаж обогревающих устройств, обеспечить сохранность электроизоляции электрокабеля и повысить его защищенность от пробоя.