СПОСОБ ОБОГРЕВА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ СТЕНКИ ОБОЛОЧКИ
METHOD FOR HEATING METALLIC WALL SHELL

Техническое решение относится к области теплоэнергетики, а именно к обогреву промышленных объектов, таких как резервуары, цистерны, а преимущественно к трубопроводам, в которых содержится среда, требующая подогрева в процессе эксплуатации объектов. В случае использования устройства для обогрева трубопровода, предполагается подогрев транспортируемой по нему текучей среды, в том числе взрывоопасных и/или пожароопасных сред.
Известно устройство, которое содержит трубку нагрева из ферромагнитного материала, закрепленную на обогреваемой трубе, а также контур электрического проводника, подключенного к источнику питания переменного тока, а также вставленный, по меньшей мере, в одну трубку по всей длине трубы (US 3515837 А, 02.06.1970).
В патенте US 4617449 представлено устройство для нагрева трубопровода, содержащее закрепленные на поверхности трубопровода трубки, в которых расположен электрокабель, который нагревает трубопровод (US 4617449, 14.10.1986). Известные устройства предопределяют работу устройств, при этом каждая работа содержит признаки способа обогрева объекта.
Наиболее близким аналогом представленного в данном описании технического решения 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. 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. В устройстве трубки по существу являются бесконечно-замкнутыми в поперечном разрезе ферромагнитными оболочками, служащими как для фиксации в них ветвей электрокабеля, так и для образования внутри них вихревых токов для нагрева оболочек и передачи от них тепла обогреваемому объекту. Работа устройства содержит признаки способа, заключающиеся в том, что в каждом греющем элементе создают вихревые токи, путем пропускания через расположенный в греющем элементе электрокабель, концы которого соединены с источником переменного тока. После нагрева греющего элемента, тепло от него передается на стенку обогреваемого трубопровода (RU 93130 U1, 20.04.2010).
Использование технического решения по патенту RU 93130 U1 связано со сравнительно большим расходом электроэнергии, связанной с существенными потерями тепла, возникающими сначала в стенке греющего элемента, а затем передающегося на стенку в зоне его примыкания к стенке обогреваемого объекта. В связи с потерями тепла расход электроэнергии на нагрев греющего элемента повышается. При этом греющий элемент имеет сравнительно большую металлоемкость, а монтаж устройства с греющими элементами в виде трубок сопряжен с большой трудоемкостью, связанной с необходимость протаскивания через трубки электрокабеля.
Техническим результатом изобретения является снижение расхода электроэнергии на обогрев промышленного объекта за счет более эффективного использования энергии электромагнитных полей.
Технический результат достигается способом обогрева металлической стенки оболочки, включающим расположение на обогреваемой оболочке изолированного токового проводника, закрытого снаружи экраном или последовательно расположенными экранами из ферромагнитного материала, пропускание по проводнику переменного тока и создание вихревых токов вокруг проводника, причем используют экраны или экран в виде сужающегося наружу от стенки оболочки профиля, располагают экран таким образом, чтобы он с оболочкой образовал замкнутый контур, расположенный на части наружной поверхности оболочки и на внутренней поверхности экрана, направляют по этому контуру вихревые токи экрана и при этом одновременно нагревают экран и находящуюся под экраном часть стенки обогреваемой оболочки.
Экран используют толстостенным и разомкнутым с внутренним желобом под проводник, при этом конечные части экрана прижимают и/или присоединяют к обогреваемой оболочке.
Используют экраны или экран, каждый из которых выполнен в виде, по меньшей мере, частично изогнутой наружу от стенки оболочки криволинейной толстостенной пластины.
Используют многослойную обогреваемую оболочку, включающую металлическую стенку и теплоизоляцию, в которой располагают экраны или экран так, чтобы экран с оболочкой образовал замкнутый контур, расположенный на части наружной поверхности оболочки и на внутренней поверхности экрана.
Сначала на внешней поверхности стенки оболочки закрепляют проводник, который затем накрывают или закрывают экраном или экранами.
Сначала на внешней поверхности стенки закрепляют экраны или экран, в который затем укладывают изолированный токовый проводник.
На фиг. 1 изображен изометрический вид оболочки, на которой размещен экран в виде уголка.
На фиг. 2 изображен изометрический вид теплоизолированной оболочки с размещенными в ее нижней части ветвями проводника с экранами, в которой экраны размещены внутри слоя теплоизоляции.
На фиг. 3 изображен изометрический вид теплоизолированной оболочки с размещенными в ее нижней части ветвями проводника с экранами.
На фиг. 4 изображен поперечный разрез оболочки с экраном в виде уголкового профиля.
На фиг. 5 изображен поперечный разрез оболочки с экраном в виде цилиндрического (полукруглого) профиля.
На фиг. 6 изображен поперечный разрез оболочки с экраном в виде швеллера.
На фиг. 7 изображена схема образования электромагнитного контура и вихревых токов в нем.
На фиг. 8 изображена зависимость намагниченности М от величины внешнего магнитного поля Н в ферромагнетике.
На фиг. 9 показана одна из возможных схем подключения проводника и расположения экранов.
Способ характеризуется тем, что на внешней поверхности 1 металлической стенки 2 оболочки 3 (фиг. 1) располагают изолированный токовый проводник 4. Проводник полностью или, по меньшей мере, частично охвачен снаружи экраном 5 или последовательно расположенными экранами (фиг. 9) из ферромагнитного материала. Концы 6 изолированного токового проводника подключают к источнику переменного тока 7, пропускают ток по токовому проводнику 4 и создают переменное электромагнитное поле, которым нагревают часть 8 стенки 2 оболочки, находящейся под экраном (в границах экрана или экранов) 5 или экранами, обеспечивая нагрев всей оболочки и передачу тепла от оболочки к среде заключенной или протекающей внутри оболочки.
Предпочтительно, что часть 8 стенки 2 оболочки под экраном и экран нагревают одновременно с возможностью их взаимного теплообмена.
Для обеспечения более эффективного теплообмена конечные части 9 экрана 5 прижимают и/или присоединяют к обогреваемой оболочке 3, причем экран(ы) 5 выполняют толстостенным, предпочтительно, в виде разомкнутой в поперечном разрезе (незамкнутой) толстостенной оболочки.
При монтаже, предпочтительно, что сначала на внешней поверхности стенки закрепляют экраны или экран 5, в который укладывают изолированный токовый проводник 4. В этом случае экран 5 выполняет также несущую и/или защитную функции по отношению к проводнику.
В другом исполнении сначала на внешней поверхности стенки оболочки закрепляют проводник, который накрывают или закрывают экраном или экранами.
Экран 5 закрепляют на оболочке, например, посредством точечной сварки, либо хомутов или стяжек (условно не показаны).
Используют экран 5 или экраны, каждый из которых выполнен разомкнутым по его поперечному периметру так, что он имеет, по меньшей мере, один внутренний желоб или канал, либо полость или выемку для размещения токового проводника 4.
Таким образом, каждый экран представляет собой часть устройства для нагрева металлической стенки 2 оболочки 3, преимущественно, в виде разомкнутого (незамкнутого) металлического профиля.
Возможно использовать экран 5, выполненный в виде выпуклого наружу от стенки оболочки профиля, например, в виде продолговатого цилиндрического профиля, разомкнутого с одной его стороны.
Возможно использовать экран 5, выполненный в виде сужающегося наружу от стенки оболочки профиля (в поперечном разрезе), например, в виде продолговатого уголкового профиля («уголка»).
Возможно использовать экран 5, который выполнен корытообразным или трапециевидным (в поперечном разрезе), например, в виде швеллера.
Возможно использовать экран 5, который выполнен в виде, по меньшей мере, частично изогнутой наружу от стенки оболочки криволинейной или профилированной пластины, предпочтительно, в виде толстостенной пластины (условно не показана).
Предпочтительно, что оболочку выполняют многослойной, включающей, в том числе металлическую стенку 2, а также теплоизоляцию 10, размещаемую с внешней стороны металлической стенки 2.
Предпочтительно, что экраны или экран с размещенным внутри него токовым проводником 4 располагают в массиве теплоизоляции 10 (фиг. 2).
Либо экраны или экран 5 с размещенным внутри него токовым проводником 4 охватывают теплоизоляционными элементами 11 (фиг. 3), которые выполняют в виде цилиндрических сегментов или скорлуп.
Предпочтительно, что внешняя сторона теплоизоляции оснащена защитным металлическим слоем 12.
Способ осуществляют следующим образом. Способ поясняется на примере обогрева стенки теплоизолированного трубопровода с размещенной в нем текучей средой. На внешней поверхности 1 стенки 2 оболочки 3, например, трубы, располагают изолированный токовый проводник 4.
Проводник охватывают экранами 5 из ферромагнитного материала, которые последовательно располагают, преимущественно, вдоль оси оболочки 3 (фиг. 9).
Концы 6 изолированного токового проводника подключают к источнику переменного тока 7.
Пропускают ток по токовому проводнику 4 и создают переменное электромагнитное поле, которым нагревают часть 8 стенки 2 оболочки, находящейся под экранами 5 (фиг. 7).
Экраны или экран 5 ограничивает рассеивание энергии электромагнитного поля за его пределы во внешнюю среду.
Каждый экран 5 также находится в зоне действия электромагнитного поля, нагревается и, если экран имеет достаточную толщину (например, выполнен толстостенным), то он передает дополнительное тепло на стенку 2 оболочки.
Однако, при этом соприкосновение конечных частей экрана и металлической стенки 2 оболочки 3 (трубы) не является обязательным условием работоспособности способа, так как первичной задачей является нагрев части стенки трубы, расположенной преимущественно под экраном (фиг. 2, 7) показана ширина h зоны обогрева. Таким образом, экран 5 может быть расположен с зазором f относительно стенки 2 (фиг. 2).
Предпочтительно, что экран также участвует в преобразовании энергии переменного поля в тепловую и соприкасается с внешней поверхностью стенки оболочки и/или закреплен на ней сваркой (фиг. 7). В этом случае экран участвует в процессе теплопередачи. Кроме того, экран 5 может выполнять по отношению к токовому проводнику 4 несущую и защитную функции, т.е. токовый проводник может быть закреплен на оболочке посредством экрана, например, приваренного к металлической стенке 2 оболочки 3.
Также предпочтительно, что токовый проводник и экран расположен в теплоизоляции 10 (фиг. 2) или окружен теплоизоляционными элементами 11 (Фиг. 3) для уменьшения потерь тепловой энергии.
На внешней поверхности экрана в ином его исполнении закреплен теплоизолятор (условно не показано).
Нагрев части 8 стенки оболочки, а также экрана 5 в основном обусловлен двумя явлениями, описанными в научно-технической литературе.
Первое явление относится к вихревым токам 13, которые возникают внутри контура 14 образованного, экраном 5 и частью 8 стенки 2 оболочки (фиг. 7). Таким образом, вихревые токи возникают в металлической оболочке 2 вблизи ее внешней поверхности 1, а также в ферромагнитном материале экрана 5 вблизи его внутренней поверхности 15 (в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея). Выделение тепла происходит в соответствии с законом Джоуля-Ленца.
Второе явление связано с эффектом перемагничивания ферромагнетиков переменным магнитным полем. При перемагничивании ферромагнетика в нем происходят необратимые преобразования электромагнитной энергии в тепло.
Полная работа по перемагничиванию единицы объема материала определяется площадью ограниченной кривыми петли гистерезиса (фиг. 8), на которой показана схематически типичная зависимость намагниченности М от величины внешнего магнитного поля Н в ферромагнетике при его циклическом изменении.
а
a
m
s
m
Из состояния М=0 при Н=0 с увеличением Н значение М растет по кривой  (основной кривой намагничивания) и в достаточно сильном поле Н≥Н становится практически постоянной и равной намагниченности насыщения M. При уменьшении Н от значения Н, обратный ход изменения М(Н) уже не будет описываться кривой  и намагниченность при Н=0 не вернется к значению М=0.
r
Это изменение описывается кривой b (кривой размагничивания), при этом Н=0, намагниченность принимает значение M=M (остаточная намагниченность).
c
m
s
m
m
Как видно из фиг. 7, для полного размагничивания вещества (М=0) необходимо приложить обратное поле Н=-Н, называющегося коэрцитивной силой. Далее, когда поле достигает значения Н=-Н, образец намагничивается до насыщения (M=-M) в обратном направлении. При дальнейшем изменении Н от -Н до +Н намагниченность изменяется вдоль кривой с.
m
m
Ветви b и с, получающиеся при циклическом изменении Н от +Н до -Н и обратно, вместе образуют замкнутую кривую, называющейся петлей гистерезиса (ПГ). При этом b называется нисходящей, а с - восходящей ветвями ПГ.
Отставание М от Н при намагничивании и размагничивании приводит к тому, что энергия, приобретаемая ферромагнетиком при намагничивании, не полностью отдается при размагничивании. Теряемая за один полный цикл энергия равна интегралу , определяющему площадь ПГ. В конечном итоге она превращается в теплоту, идущую на нагревание стенки 2 оболочки 3 и экрана 5. Эти магнитные потери, определяемые ПГ, называются гистерезисными.
Поскольку вихревые токи протекают только вблизи внешней поверхности металлической стенки 2 оболочки 3 и на внутренней поверхности экрана 5 по замкнутому контуру, показанному на фиг. 7 пунктирными линиями, на внутренней поверхности стенки 2 оболочки 3 и на наружной поверхности экрана 5 электрический потенциал равен нулю, то из этого следует, что способ является безопасным и при этом он позволяет уменьшить потери тепла в окружающее пространство, в связи с чем повышается энергоэффективность нагрева стенки 2 оболочки 3, а расход электроэнергии на обогрев оболочки объекта за счет более эффективного использования энергии электромагнитных полей снижается.