Как изготовить индукционный нагреватель своими руками. Индукционный нагреватель нефти


Индукционный нагрев, основные принципы и технологии.

1 августа 2013

Индукционный нагрев (Induction Heating) — метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH — radio-frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов.

Описание метода.

Индукционный нагрев - это нагревание материалов электрическими токами, которые индуцируются переменным магнитным полем. Следовательно - это нагрев изделий из проводящих материалов (проводников) магнитным полем индукторов (источников переменного магнитного поля). Индукционный нагрев проводится следующим образом. Электропроводящая (металлическая, графитовая) заготовка помещается в так называемый индуктор, представляющий собой один или несколько витков провода (чаще всего медного). В индукторе с помощью специального генератора наводятся мощные токи различной частоты (от десятка Гц до нескольких МГц), в результате чего вокруг индуктора возникает электромагнитное поле. Электромагнитное поле наводит в заготовке вихревые токи. Вихревые токи разогревают заготовку под действием джоулева тепла (см. закон Джоуля-Ленца).

Система «индуктор-заготовка» представляет собой бессердечниковый трансформатор, в котором индуктор является первичной обмоткой. Заготовка является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху.

На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои заготовки Δ (Поверхностный-эффект), в результате чего их плотность резко возрастает, и заготовка разогревается. Нижерасположенные слои металла прогреваются за счёт теплопроводности. Важен не ток, а большая плотность тока. В скин-слое Δ плотность тока уменьшается в e раз относительно плотности тока на поверхности заготовки, при этом в скин-слое выделяется 86,4 % тепла (от общего тепловыделения. Глубина скин-слоя зависит от частоты излучения: чем выше частота, тем тоньше скин-слой. Также она зависит от относительной магнитной проницаемости μ материала заготовки.

Для железа, кобальта, никеля и магнитных сплавов при температуре ниже точки Кюри μ имеет величину от нескольких сотен до десятков тысяч. Для остальных материалов (расплавы, цветные металлы, жидкие легкоплавкие эвтектики, графит, электролиты, электропроводящая керамика и т. д.) μ примерно равна единице.

Например, при частоте 2 МГц глубина скин-слоя для меди около 0,25 мм, для железа ≈ 0,001 мм.

Индуктор сильно нагревается во время работы, так как сам поглощает собственное излучение. К тому же он поглощает тепловое излучение от раскалённой заготовки. Делают индукторы из медных трубок, охлаждаемых водой. Вода подаётся отсасыванием — этим обеспечивается безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора.

Применение:Сверхчистая бесконтактная плавка, пайка и сварка металла.Получение опытных образцов сплавов.Гибка и термообработка деталей машин.Ювелирное дело.Обработка мелких деталей, которые могут повредиться при газопламенном или дуговом нагреве.Поверхностная закалка.Закалка и термообработка деталей сложной формы.Обеззараживание медицинского инструмента.

Преимущества.

Высокоскоростной разогрев или плавление любого электропроводящего материала.

Возможен нагрев в атмосфере защитного газа, в окислительной (или восстановительной) среде, в непроводящей жидкости, в вакууме.

Нагрев через стенки защитной камеры, изготовленной из стекла, цемента, пластмасс, дерева — эти материалы очень слабо поглощают электромагнитное излучение и остаются холодными при работе установки. Нагревается только электропроводящий материал — металл (в том числе расплавленный), углерод, проводящая керамика, электролиты, жидкие металлы и т. п.

За счёт возникающих МГД усилий происходит интенсивное перемешивание жидкого металла, вплоть до удержания его в подвешенном состоянии в воздухе или защитном газе — так получают сверхчистые сплавы в небольших количествах (левитационная плавка, плавка в электромагнитном тигле).

Поскольку разогрев ведётся посредством электромагнитного излучения, отсутствует загрязнение заготовки продуктами горения факела в случае газопламенного нагрева, или материалом электрода в случае дугового нагрева. Помещение образцов в атмосферу инертного газа и высокая скорость нагрева позволят ликвидировать окалинообразование.

Удобство эксплуатации за счёт небольшого размера индуктора.

Индуктор можно изготовить особой формы — это позволит равномерно прогревать по всей поверхности детали сложной конфигурации, не приводя к их короблению или локальному непрогреву.

Легко провести местный и избирательный нагрев.

Так как наиболее интенсивно разогрев идет в тонких верхних слоях заготовки, а нижележащие слои прогреваются более мягко за счёт теплопроводности, метод является идеальным для проведения поверхностной закалки деталей (сердцевина при этом остаётся вязкой).

Лёгкая автоматизация оборудования — циклов нагрева и охлаждения, регулировка и удерживание температуры, подача и съём заготовок.

Установки индукционного нагрева:

На установках с рабочей частотой до 300 кГц используют инверторы на IGBT-сборках или MOSFET-транзисторах. Такие установки предназначены для разогрева крупных деталей. Для разогрева мелких деталей используются высокие частоты (до 5 МГц, диапазон средних и коротких волн), установки высокой частоты строятся на электронных лампах.

Также для разогрева мелких деталей строятся установки повышенной частоты на MOSFET-транзисторах на рабочие частоты до 1,7 МГц. Управление транзисторами и их защита на повышенных частотах представляет определённые трудности, поэтому установки повышенной частоты пока ещё достаточно дороги.

Индуктор для нагрева мелких деталей имеет небольшие размеры и небольшую индуктивность, что приводит к уменьшению добротности рабочего колебательного контура на низких частотах и снижению КПД, а также представляет опасность для задающего генератора (добротность колебательного контура пропорциональна L/C, колебательный контур с низкой добротностью слишком хорошо «накачивается» энергией, образует короткое замыкание по индуктору и выводит из строя задающий генератор). Для повышения добротности колебательного контура используют два пути:- повышение рабочей частоты, что приводит к усложнению и удорожанию установки;- применение ферромагнитных вставок в индукторе; обклеивание индуктора панельками из ферромагнитного материала.

Так как наиболее эффективно индуктор работает на высоких частотах, промышленное применение индукционный нагрев получил после разработки и начала производства мощных генераторных ламп. До первой мировой войны индукционный нагрев имел ограниченное применение. В качестве генераторов тогда использовали машинные генераторы повышенной частоты (работы В. П. Вологдина) или искровые разрядные установки.

Схема генератора может быть в принципе любой (мультивибратор, RC-генератор, генератор с независимым возбуждением, различные релаксационные генераторы), работающей на нагрузку в виде катушки-индуктора и обладающей достаточной мощностью. Необходимо также, чтобы частота колебаний была достаточно высока.

Например, чтобы «перерезать» за несколько секунд стальную проволоку диаметром 4 мм, необходима колебательная мощность не менее 2 кВт при частоте не менее 300 кГц.

Выбирают схему по следующим критериям: надёжность; стабильность колебаний; стабильность выделяемой в заготовке мощности; простота изготовления; удобство настройки; минимальное количество деталей для уменьшения стоимости; применение деталей, в сумме дающих уменьшение массы и габаритов, и др.

На протяжении многих десятилетий в качестве генератора высокочастотных колебаний применялась индуктивная трёхточка (генератор Хартли, генератор с автотрансформаторной обратной связью, схема на индуктивном делителе контурного напряжения). Это самовозбуждающаяся схема параллельного питания анода и частотно-избирательной цепью, выполненной на колебательном контуре. Она успешно использовалась и продолжает использоваться в лабораториях, ювелирных мастерских, на промышленных предприятиях, а также в любительской практике. К примеру, во время второй мировой войны на таких установках проводили поверхностную закалку катков танка Т-34.

Недостатки трёх точки:

Низкий кпд (менее 40 % при применении лампы).

Сильное отклонение частоты в момент нагрева заготовок из магнитных материалов выше точки Кюри (≈700С) (изменяется μ), что изменяет глубину скин-слоя и непредсказуемо изменяет режим термообработки. При термообработке ответственных деталей это может быть недопустимо. Также мощные твч-установки должны работать в узком диапазоне разрешённых Россвязьохранкультурой частот, поскольку при плохом экранировании являются фактически радиопередатчиками и могут оказывать помехи телерадиовещанию, береговым и спасательным службам.

При смене заготовок (например, более мелкой на более крупную) изменяется индуктивность системы индуктор-заготовка, что также приводит к изменению частоты и глубины скин-слоя.

При смене одновитковых индукторов на многовитковые, на более крупные или более малогабаритные частота также изменяется.

Под руководством Бабата, Лозинского и других учёных были разработаны двух- и трёхконтурные схемы генераторов, имеющих более высокий кпд (до 70 %), а также лучше удерживающие рабочую частоту. Принцип их действия состоит в следующем. За счёт применения связанных контуров и ослабления связи между ними, изменение индуктивности рабочего контура не влечёт сильного изменения частоты частотозадающего контура. По такому же принципу конструируются радиопередатчики.

Недостаток многоконтурных систем — повышенная сложность и возникновение паразитных колебаний УКВ-диапазона, которые бесполезно рассеивают мощность и выводят из строя элементы установки. Также такие установки склонны к затягиванию колебаний — самопроизвольному переходу генератора с одной из резонансных частот на другую.

Современные твч-генераторы — это инверторы на IGBT-сборках или мощных MOSFET-транзисторах, обычно выполненные по схеме мост или полумост. Работают на частотах до 500 кГц. Затворы транзисторов открываются с помощью микроконтроллерной системы управления. Система управления в зависимости от поставленной задачи позволяет автоматически удерживать

а) постоянную частотуб) постоянную мощность, выделяемую в заготовкев) максимально высокий КПД.

Например, при нагреве магнитного материала выше точки Кюри толщина скин-слоя резко увеличивается, плотность тока падает, и заготовка начинает греться хуже. Также пропадают магнитные свойства материала и прекращается процесс перемагничивания - заготовка начинает греться хуже, сопротивление нагрузки скачкообразно уменьшается - это может привести к "разносу" генератора и выходу его из строя. Система управления отслеживает переход через точку Кюри и автоматически повышает частоту при скачкообразном уменьшении нагрузки (либо уменьшает мощность).

Замечания.

Индуктор по возможности необходимо располагать как можно ближе к заготовке. Это не только увеличивает плотность электромагнитного поля вблизи заготовки (пропорционально квадрату расстояния), но и увеличивает коэффициент мощности Cos(φ).

Увеличение частоты резко уменьшает коэффициент мощности (пропорционально кубу частоты).

При нагреве магнитных материалов дополнительное тепло также выделяется за счет перемагничивания, их нагрев до точки Кюри идет намного эффективнее.

При расчёте индуктора необходимо учитывать индуктивность подводящих к индуктору шин, которая может быть намного больше индуктивности самого индуктора (если индуктор выполнен в виде одного витка небольшого диаметра или даже части витка — дуги).

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов. Параллельный колебательный контур – резонанс токов.В этом случае на катушке и на конденсаторе напряжение такое же, как у генератора. При резонансе, сопротивление контура между точками разветвления становится максимальным, а ток (I общ) через сопротивление нагрузки Rн будет минимальным (ток внутри контура I-1л и I-2с больше чем ток генератора).

В идеальном случае полное сопротивление контура равно бесконечности - схема не потребляет тока от источника. При изменение частоты генератора в любую сторону от резонансной частоты полное сопротивление контура уменьшается и линейный ток (I общ) возрастает.

Последовательный колебательный контур – резонанс напряжений.

Главной чертой последовательного резонансного контура является то, что его полное сопротивление минимально при резонансе. (ZL + ZC – минимум). При настройке частоты на величину, превышающую или лежащую ниже резонансной частоты, полное сопротивление возрастает. Вывод: В параллельном контуре при резонансе ток через выводы контура равен 0, а напряжение максимально. В последовательном контуре наоборот - напряжение стремится к нулю, а ток максимален.

Статья взята с сайта http://dic.academic.ru/ и  переработана в более понятный для читателя текст, компанией ООО «Проминдуктор».

prominductor.ru

Установки индукционного нагрева, ТВЧ установки, кузнечные и закалочные комплексы :: Оборудование для подогрева вязких нефтепродуктов :: Заказ по телефону +7-499-6413840

Сфера применения система автоматического подогрева вязких нефтепродуктов на основе технологии индукционного нагрева:
  • поддержание технологических температур в трубопроводах, резервуарах и емкостях
  • в котельных и ТЭЦ для нагрева топочного мазута до оптимальной температуры сжигания
  • при производстве асфальтобетонной смеси для подогрева и обезвоживания битума без пенообразования, в том числе для подогрева битума с полимерными добавками
  • в установках, емкостях и трубопроводах для нагрева гудрона, битума, индустриального масла, присадок и других вязких нефтепродуктов

Успешный практический опыт использования индукционных систем подогрева вязких нефтепродуктов подтверждает высокое качество и неоспоримые преимущества по сравнению с существующими на рынке решениями на основе резестивных нагревателей:

  • возможность обеспечения широкого спектра удельной мощности от 500 до 0,5 Вт/см2, что позволяет производить как высокоэффективное выпаривание жидких сред так и мягкий подогрев нефтепродуктов
  • срок службы не менее 10 лет
  • при обслуживании нет необходимости разбирать нагревательный узел
  • снижение расхода электроэнергии до 3-х раз по сравнению с нихромовыми нагревателями
  • длительный непрерывный режим эксплуатации при рабочей температуре без закоксовывания нагревателей, в связи с отсутствием зон локального перегрева
  • проста в монтаже и эксплуатации

На рынке подогрева нефтепродуктов присутствуют низкочастотные индукционные комплексы, использующие промежуточное звено – воду или антифриз (структурная схема представлена на рис.). Эта схема требует транспортировки теплоносителя к объекту нагрева и не использует основное преимущество индукционного нагрева – непосредственное выделение тепла в теле нагреваемого объекта (трубы, детали).

 Структура оборудования низкочастотного индукционного подогрева нефтепродуктов

Почему сейчас индукционный подогрев нефтепродуктов возможен?

Еще 10-15 лет назад основная масса выпускаемого индукционного оборудования было громоздким, водоохлаждаемым (применялась дистиллированная вода), сложным в обслуживании. Применение такого оборудования в условиях крайнего севера было экономически не целесообразно. В настоящее время, развитие силовой электроники позволяет делать компактные, не требующие дополнительного обслуживания установки индукционного нагрева, способные работать в герметичном корпусе в любое время года.

Структура оборудования высокочастотного индукционного подогрева нефтепродуктов

Комплексное решение включает в себя модули:

  • Оборудование для индукционного нагрева
  • Гибкие кабеля, в термостойкой изоляции, для намотки индуктора
  • Датчики температуры
  • Автоматическая система управления нагревом. Обеспечивает высокоточный и безопасный нагрев, контроль и управление температурой горючих нефтепродуктов без участия человека вне зависимости от изменения параметров окружающей среды.

ambit.pro

устройство и принцип работы, схема изготовления своими руками

Индукционный нагреватель можно устанавливать в квартире, для этого не нужно никаких согласований и связанных с ними расходов и хлопот. Достаточно желания хозяина. Проект подключения требуется только теоретически. Это и стало одной из причин популярности индукционных нагревателей, даже несмотря на приличную стоимость электроэнергии.

Индукционный способ нагрева

Индукционный нагрев — это нагрев переменным электромагнитным полем проводника, помещенного в это поле. В проводнике возникают вихревые токи (токи Фуко), которые и нагревают его. По сути дела — это трансформатор, первичная обмотка — это катушка, называемая индуктором, а вторичная обмотка — это вкладка или короткозамкнутая обмотка. Тепло не подводится к вкладке, а генерируется в ней самой блуждающими токами. Все, окружающее ее, остается холодным, что является определенным преимуществом устройств такого рода.

Тепло во вкладке распределяется неравномерно, а только в поверхностных ее слоях и далее по объему распространяется за счет теплопроводности материала вкладки. Причем с повышением частоты переменного магнитного поля глубина проникновения уменьшается, а интенсивность увеличивается.

Для работы индуктора с частотой большей, чем в сети (50Гц), применяются транзисторные или тиристорные преобразователи частоты. Тиристорные преобразователи позволяют получать частоты до 8 КГц, транзисторные — до 25КГц. Схемы их подключения можно найти легко.

Планируя установку систем отопления в собственном доме или на даче, кроме прочих вариантов на жидком или твердом топливе, необходимо рассмотреть вариант с применением индукционного нагрева котла. С таким отоплением экономить на электроэнергии не удастся, но отсутствуют опасные для здоровья вещества.

Принцип работы индуктора

Основное назначение индуктора — выработка тепловой энергии за счет электрической без использования теплоэлектронагревателей принципиально другим способом.

Типовой индуктор состоит из следующих основных деталей и устройств:

  • генератор переменного тока — устройство для изменения сетевой частоты в более высокую, которая транслируется на катушку;
  • индуктор — катушка, в которой индуцируется переменное магнитное поле;
  • нагревательный элемент — металлический предмет, в котором под воздействием электромагнитного поля возникают вихревые токи, которые и нагревают проводник.

Устройство нагревательного прибора

Основные элементы индукционного нагревателя для отопительной системы.

  1. Стальная проволока диаметром 5-7 мм.
  2. Труба из пластика с толстой стенкой. Внутренний диаметр не менее 50 мм и длина подбирается по месту установки.
  3. Медная эмалированная проволока для катушки. Размеры подбираются в зависимости от мощности устройства.
  4. Сетка из нержавеющей стали.
  5. Сварочный инвертор.

Порядок изготовления индукционного котла

Вариант первый

Стальную проволоку порубить на отрезки длиной не более 50 мм. Рубленой проволокой заполнить пластиковую трубу. Торцы заглушить проволочной сеткой для предотвращения высыпания проволоки.

На концах трубы установить переходники от пластиковой трубы к размеру трубы в месте подключения нагревателя.

Медным эмалированным проводом намотать обмотку на корпусе нагревателя (пластиковой трубе). Для этого понадобится порядка 17 метров провода: количество витков — 90, наружный диаметр трубы порядка 60 мм: 3,14 х 60 х90 = 17 (метров). Длину уточните дополнительно, когда будет точно известен наружный диаметр трубы.

Пластиковую трубку, а теперь уже индукционный котел, врезать в трубопровод в вертикальном положении.

При проверке работоспособности индукционного нагревателя убедитесь, что в котле присутствует теплоноситель. В противном случае корпус (пластиковая труба) расплавится очень быстро.

Подключить котел к инвертору, необходимо заполнить систему теплоносителем и можно включать.

Вариант второй

Конструкция индукционного нагревателя из сварочного инвертора по этому варианту более сложна, требует определенных навыков и умений работать своими руками, однако, она более эффективна. Принцип тот же — индукционный нагрев теплоносителя.

Для начала нужно изготовить сам индукционный нагреватель — котел. Для этого понадобятся две трубки разного диаметра, которые вставляются одна в другую с зазором между ними порядка 20 мм. Длина трубок от 150 до 500 мм, в зависимости от предполагаемой мощности индукционного нагревателя. Нужно вырезать два кольца соответственно зазору между трубками и приварить их герметично по торцам. Получилась емкость тороидальной формы.

Остается вварить в наружную стенку входную (нижнюю) трубку по касательной к корпусу и верхнюю (выходную) трубку параллельно входной на противоположной стороне тороида. Размер трубок — по размеру труб отопительной системы. Расположение входного и выходного патрубков по касательной, обеспечит циркуляцию теплоносителя по всему объему котла без образования застойных зон.

Второй шаг — создание обмотки. Эмалированный медный провод нужно наматывать вертикально, пропуская его внутрь и поднимая наверх по внешнему контуру корпуса. И так 30-40 витков, образуя тороидальную катушку. В таком варианте нагреваться будет одновременно вся поверхность котла, таким образом, значительно повышая его производительность и эффективность.

Изготовить наружный корпус обогревателя из непроводящих материалов, использовав, например, пластиковую трубу большого диаметра или банальное пластиковое ведро, если будет достаточно его высоты. Диаметр наружного корпуса должен обеспечивать выход патрубков котла сбоку. Обеспечить соблюдение правил электробезопасности по всей схеме подключения.

Корпус котла отделить от наружного корпуса теплоизолятором, можно использовать как сыпучий термоизоляционный материал (керамзит), так и плиточный (изовер, минплита и тому подобное). Этим предотвращаются потери тепла в атмосферу от конвекции.

Остается заполнить систему своим теплоносителем и подсоединить индукционный нагреватель из сварочного инвертора.

Такой котел совершенно не требует вмешательства и может работать 25 и более лет без ремонта, поскольку в конструкции отсутствуют движущиеся детали, а в схеме подключения предусмотрено использование автоматического управления.

Вариант третий

Это, наоборот, самый простой вариант обогрева жилища, выполняемый своими руками. На вертикальной части трубы системы отопления нужно выбрать прямой участок длиной не менее метра и очистить его от краски наждачной шкуркой. Затем этот участок трубы изолировать 2-3 слоями электротехнической ткани или плотной стеклоткани. После этого эмалированным медным проводом намотать индукционную катушку. Тщательно изолировать всю схему подключения.

Остается только подключить сварочный инвертор и наслаждаться теплом в своем жилище.

Обратите внимание на несколько моментов.

  1. Нежелательно устанавливать такой обогреватель в жилых комнатах, где чаще всего находятся люди. Дело в том, что электромагнитное поле распространяется не только внутри катушки, но и в окружающем пространстве. Чтобы убедиться в этом, достаточно воспользоваться обыкновенным магнитом. Нужно взять его в руку и подойти к катушке (котлу). Магнит начнет ощутимо вибрировать и тем сильнее, чем ближе катушка. Поэтому лучше использовать котел в нежилой части дома или квартиры.
  2. Устанавливая катушку на трубе, убедитесь, что на этом участке системы отопления теплоноситель естественным образом течет вверх, чтобы не создавать противотока, иначе система вообще не будет работать.

Можно предложить много вариантов применения индукционного нагрева в жилище. Например, в системе горячего водоснабжения можно вообще отказаться от подачи горячей воды, подогревая ее на выходах из каждого крана. Однако, это тема для отдельного рассмотрения.

Несколько слов о безопасности при использовании индукционных нагревателей со сварочным инвертором:

  • для обеспечения электробезопасности необходимо тщательно изолировать токопроводящие элементы конструкций по всей схеме подключения;
  • индукционный нагреватель рекомендуется только для закрытых систем отопления, в которых циркуляция обеспечивается водяным насосом;
  • рекомендуется размещать индукционную систему на расстоянии не менее 30 см от стен и мебели и в 80 сантиметрах от пола или потолка;
  • чтобы обезопасить работу системы нужно оснастить систему манометром, аварийным клапаном и устройством автоматического регулирования.
  • установить устройство для стравливания воздуха из системы отопления во избежание образования воздушных пробок.

КПД индукционных котлов и нагревателей близка к 100%, при этом нужно учитывать, что потери электроэнергии в сварочных инверторах и проводке, так или иначе, возвращаются к потребителю в виде тепла.

Прежде чем приступать к изготовлению индукционной системы, посмотрите технические данные промышленных образцов. Это поможет определиться с исходными данными самодельной системы.

Желаем успехов в творчестве и труде на самого себя!

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

kotel.guru

Индукционный скважинный электронагреватель

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к электронагревателям, применяемым при добыче парафинистых и вязких нефтей. Индукционный нагреватель включает корпус, индукционную катушку, контактный узел с токоподводящим кабелем. Корпусом и одновременно магнитным сердечником служит насосно-компрессорная труба, оснащенная металлическими кольцами с разрезами. Через разрезы проложены провода обмоток индукционной катушки. Катушка намотана на наружной поверхности корпуса. Целесообразно, чтобы индукционная катушка была выполнена двухслойной и имела три обмотки из проводов с термостойкой изоляцией. Технический результат - повышение температуры извлекаемой нефти за счет преобразования электрической энергии в тепловую и снижение металлоемкости конструкции за счет использования в качестве корпуса насосно-компрессорной трубы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к электронагревателям, применяемым при добыче парафинистых и вязких нефтей.

Известен индукционный нагреватель, состоящий из ферромагнитного корпуса и кожуха, между которыми размещены индукционные катушки (патент США 275739, 1955 г.) В нагревателе поток жидкости омывает как внутреннюю, так и внешнюю поверхности нагревателя за счет имеющегося дополнительного наружного корпуса. Недостатком нагревателя является невозможность его использования в скважинах с уменьшенным диаметром обсадных колонн. Известен также индукционный нагреватель, включающий полый корпус, концентрично установленный относительно корпуса кожух, в котором размещены индукционные катушки (патент РФ 2010954, 1994 г.). Такой нагреватель может работать только в скважинах, оснащенных центробежными диафрагменными насосами. Более близким по технической сущности является индукционный нагреватель (патент РФ 2086759, 1995 г.), состоящий из кожуха, корпуса и трех отдельных индукционных катушек (по одной на каждую фазу) с тремя радиаторами. Полость между корпусом и кожухом заполнена трансформаторным маслом. Наличие радиаторов, по мнению авторов патента, позволяет увеличить передачу тепла от электроизоляционной жидкости к продукции скважины. Недостатком данного нагревателя является сложность конструкции, неэффективный способ преобразования электрической энергии в тепловую за счет вихревых токов и, соответственно, повышенное потребление электроэнергии (до 50 кВт/час). Решаемая изобретением задача - предотвращение асфальто-смолопарафиновых отложений при добыче нефти с использованием штанговых насосов, когда внутреннее пространство насосно-компрессорных труб (НКТ) перекрыто постоянно движущейся колонной штанг, а также разогрев и очистка прискважинной зоны продуктивного пласта при ремонте скважин старого фонда. Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения - повышение температуры извлекаемой нефти за счет преобразования электрической энергии в тепловую и снижение металлоемкости конструкции за счет использования в качестве корпуса насосно-компрессорной трубы. Поставленная изобретением задача с достижением указанного технического результата в известном индукционном нагревателе, включающем корпус, индукционную катушку, контактный узел с токоподводящим кабелем, согласно изобретению, корпусом и одновременно магнитным сердечником служит насосно-компрессорная труба, оснащенная металлическими кольцами с разрезами, через которые проложены провода обмоток индукционной катушки. Возможен дополнительный вариант осуществления заявленного устройства, в котором целесообразно, чтобы: - индукционная катушка имела три обмотки из проводов с термостойкой изоляцией. Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения станут понятными при рассмотрении лучших вариантов его исполнения с прилагаемыми чертежами. Фиг.1 изображает общий вид индукционного электронагревателя; фиг.2 - электрическую схему индукционного электронагревателя. Индукционный скважинный электронагреватель содержит корпус 1, являющийся НКТ, нагревательный элемент 2 в виде трехпроводной двухслойной катушки, которая намотана по наружной поверхности корпуса 1, теплоизолятор 3, контактный узел 4 с токоподводящим кабелем 5. На корпусе 1 установлены металлические кольца 6 с разрезами, через которые проложены провода обмоток индукционной катушки. Корпус электронагревателя (НКТ) 1 одновременно является магнитным сердечником нагревательного элемента 2 и выполнен диаметром 2-2.5', длиной 7-8 м, на котором установлены через 0.8 м и закреплены сваркой металлические кольца 6 наружным диаметром 105 мм и толщиной 10 мм. Металлические кольца предназначены для обеспечения защиты обмоток электронагревателя от механических повреждений при спуске его в скважину. Изоляция проводов катушки выполнена фторопластовой, например, Ф40Ш или Ф40Ш4МБ. Теплоизолятор, выполненный из четырех слоев стеклоткани, например, Ф40Д-Э01 или материала с аналогичными свойствами, снижает рассеяние тепла в окружающую среду и направляет тепловой поток к внутреннему объему электронагревателя. Контактный узел выполнен из нефтестойкой резины и обеспечивает герметизацию места соединения обмоток нагревателя и токоподводящего кабеля. Токоподводящий кабель представляет собой трехжильный бронированный геофизический кабель, например, КГЗ-60-90 или его аналог. Электронагреватель спускают в скважину с колонной НКТ и устанавливают непосредственно перед штанговым насосом или выше - перед началом интервала, где прогнозируются отложения парафина и подводят к нему электроэнергию по токоподводящему кабелю 5, который крепится по наружной поверхности спускаемой колонны труб с помощью "клямц". Работает электронагреватель следующим образом. Переменное электрическое напряжение прикладывается через токоподводящий кабель к началу обмоток А, Б, С. Под действием этого напряжения в обмотках катушки течет переменный электрический ток, который возбуждает в сердечнике переменный магнитный поток. Последний индуцирует в обмотках катушки э.д.с. индукции. Электрический ток в обмотках возрастает, так как создается совместным действием прикладываемого напряжения и э.д.с. индуктируемой магнитным потоком. Возросший ток производит локальный нагрев обмоток катушки и магнитного сердечника нагревателя (трубы НКТ). Подбором величин напряжения на концах обмотки катушки и соответственно электрического тока устанавливается оптимальная температура нагрева проводов, т.е. оптимальное значение температуры теплового равновесия, когда тепло, выделяемое током равно теплу, отдаваемому проводником в окружающую среду. Для обеспечения длительной и надежной работы нагревателя в скважине, значение температуры равновесия для проводов, используемых в нагревателе не должно превышать, с учетом температуры в скважине, +150 - +160oС. Такой температуры нагревателя при его значительных линейных размерах будет достаточно, чтобы нагреть проходящий через него поток нефти выше температуры, при которой происходит отложение парафина.

Формула изобретения

1. Индукционный скважинный электронагреватель, включающий корпус, являющийся одновременно магнитным сердечником, нагревательный элемент в виде индукционной катушки, намотанной на наружной поверхности корпуса, контактный узел с токоподводящим кабелем, отличающийся тем, что корпусом, являющимся одновременно магнитным сердечником, служит насосно-компрессорная труба, оснащенная металлическими кольцами с разрезами, через которые проложены провода обмоток индукционной катушки. 2. Индукционный скважинный электронагреватель по п.1, отличающийся тем, что индукционная катушка выполнена двухслойной и имеет три обмотки из проводов с термостойкой изоляцией.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

www.findpatent.ru

Диссертация на тему «Исследование и разработка трубчатого индукционного нагревателя жидкости» автореферат по специальности ВАК 05.09.10 - Электротехнология

1. Агапкин В.М., Кривошеин Б.Л., Юфин В.А. Тепловой и гидравлический расчеты трубопроводов для нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1981,256 с.

2. Андреев Ю.Н. Оптимальное проектирование тепловых агрегатов. М.: Машиностроение, 1983.-231 с.

3. Альтгаузен А.П. Применение электронагрева и повышение его эффективности. -М.: Энергоатомиздат, 1987. 127с.

4. Актуальные проблемы теории и практики индукционного нагрева. Материалы Международной конф. Санкт-Петербург, С-П. Гос. техн. ун-т «ЛЭТИ», 2005, 391с.

5. Анищенко Л.М., Лавренюк С.В. Математические основы проектирования высокотемпературных технологических процессов. М.: Наука, 1986.

6. Батэ К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448с.

7. Бессонов Л.А. Электромагнитное поле. М.: Высшая школа, 1986. -262с.

8. А.А. Базаров, А.И. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Исследование электромагнитных и тепловых полей в установке технологического нагрева нефти. // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2004г., Вып.24-с. 171-173.

9. Батищев A.M., Зиннатуллин Д.А., Крылов А.Н., Алымов А.Ю. Исследование и анализ процесса индукционного нагрева полистирола как объекта управления на основе численных экспериментов. Вестник Саратовского гос. техн. универ-та. Вып.1. 2006, с. 117-123.

10. Данилушкин А.И., Зиннатуллин Д.А. Оптимизация параметров теплообменного аппарата с индукционным нагревом. Состояние и перспективы развития энерготехнологии. Материалы Международной научно-техн. конф. Иваново, 2005, т.1,с.Ю

11. А.И. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Оптимизация стационарных режимов индукционного нагревателя жидкости. Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки», 2005г., Вып 37 с.34-38.

12. Крылов А.Н., Зиннатуллин Д.А. Математическая модель теплового режима как объекта оптимизации при производстве пенополистирольныхплит. Электро-и теплотехнические процессы и установки. Межвузовский научн.сборник. СГТУ, Саратов, 2003, с. 88-92.

13. Вайнберг A.M. Индукционные плавильные печи. М.: Энергия, 1967. — 415с.

14. Вержбицкий В.М. Численные методы. М.: Высшая школа, 2001. 383с.

15. Губин В.Е. Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. М., Недра, 1982,296 с.

16. Данилушкин А.И., Зимин JI.C. Идентификация процесса низкотемпературного индукционного нагрева при обработке полимерных материалов. // Ж-л «Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №1,1994, с. 171-177.

17. Данилушкин В.А, Калашников С.А., Шумаков М.А. Применение индукционных нагревателей в трубопроводном транспорте высоковязких неф-тей. // Ж-л «Вестник Самарского технического университета.» Серия «Технические науки.» №14,2002, с. 178-181.

18. Данилушкин В.А. Калашников С.Н. Индукционный подогрев высоковязких нефтей при транспортировке по трубопроводам // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипрово-стокнефти, Самара, 2002, с. 195-200.

19. В.А. Данилушкин, Д.А. Зиннатуллин. Расчет и анализ индукционных нагревателей для транспортировки нефти // Разработка, эксплуатация и обустройство нефтяных месторождений: Тр. ОАО Гипровостокнефти, Вып. 62, Самара, 2003, стр. 115-122.

20. Демидович В.Б. Теория, исследование и.разработка индукционных нагревателей для металлургической промышленности: Автореферат дис. . докт. техн. наук. Спб.,2002. - 32 с.

21. Демирчян К.С., Чегурин B.JI. Машинные расчёты электромагнитных полей. М.: Высшая школа. 1986. - 240 с.

22. Демирчян К.С., Солнышкин Н.И. Расчет трехмерных магнитных полей методом конечных элементов // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. -1975.-№5.-с. 39-49.

23. Жаблин К., Симон Ж. К. Применение ЭВМ для численного моделирования в физике. -М.: Наука, 1983.

24. Заливин Н.Н. Новый метод индукционного нагрева вулканизационных форм.// Химическое и нефтяное машиностроение. 1967. № 3, с. 33-34.

25. Зимин JI.C. Методы оптимального проектирования систем индукционного нагрева. //Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1977.-Вып. 8. -с.142- 146.

26. Зимин JI.C. Об оптимальном выборе конструктивных характеристик систем индукционного нагрева. // Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и промышленных установок: Межвузовский сборник научных трудов, 1978. Вып. 9. - с. 123 - 126.

27. Зимин JI.C. Оптимальное проектирование систем индукционного нагрева в технологических комплексах обработки металла давлением. Автореф. дисс. докт. техн. наук.-JT., 1987. -30 с.

28. Зимин Л.С., Данилушкин А.И., Оптимизация нестационарных режимов непрерывного индукционного нагрева ферромагнитных изделий. / Вопросы проектирования автоматизированных моделирующих и управляющих систем. Куйбышев: КУАИ, 1982, с. 95-99.

29. Исаченко В.П., Осипов В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энерго-издат, 1981.-417с.

30. Исследование теплообмена и сопротивления при ламинарном течении вязкопластичных нефтей в трубопроводах/ Н.М. Андреенко, В.Е. Губин, Н.М. Гостев и др. В кн. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов (ВНИИСПТнефть, 1981 г.

31. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М., 1968, 720 с.

32. Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970. - 710 с.

33. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи / Пер. с англ. М.: Мир, 1983. -512 е., с ил.

34. Кувалдин А.Б. Индукционный нагрев ферромагнитных сталей. М.: Энергоатомиздат, 1988.-200с.

35. Кувалдин А.Б., Лепешкин А.Р. Электротепловая модель индукционно-резистивной системы нагрева // Электромеханика 2005. - №1. - с. 4853.

36. Кувалдин А.Б. Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных средах // Электричество. 2005 - №11.-с. 56-61.

37. Кувалдин А.Б. и др. Электротепловая модель индукционно-резистивной системы нагрева // Электромеханика 2005. - №1. - с. 48-53.

38. Кувалдин А.Б. и др. Математические модели для исследования электромагнитного поля в ферромагнитных средах // Электричество. 2005-№11.-с. 56-61.

39. Лившиц М.Ю. Теория и алгоритмы оптимального управления термодиффузионными процессами технологической теплофизики по системным критериям качества: Автореф. дис. докт. техн. наук. Самара, 2001. - 46 с.

40. В.И. Лузгин, С.Ф. Сарапулов, Ф.Н. Сарапулов, и др. Плавильные комплексы на основе индукционных тигельных печей и их математическое моделирование. Учебное пособие/ Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 464с.

41. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967 - 599 с.

42. Лыков А.В. Тепломассообмен (Справочник) М.: Энергия, 1978 -480 с.

43. Маликов Ю.К., Лисиенко В.Г. Численный метод решения задач теплопроводности для двумерных тел сложной формы. //Инженерно-физический журнал, 1981, №3.-с.503 -509.

44. Мельников А.А. Расчет электромагнитных и температурных полей методом конечных элементов. Уч. Пособие / Моск. гос. ин-т радиотехники, электроники и автоматики (техн. ун-т) М., 2001. - 76 с.

45. Э. Митчелл, Р. Уэйт. Метод конечных элементов для уравнений с частными производными. -М.: Мир, 1981. -216с.

46. Немков B.C., Казьмин В.Е. Использование цифровых моделей для автоматизированного проектирования индукционных нагревателей стальных заготовок // Изв. Вузов. Электромеханика. 1984. - №9. - с.52-59.

47. Немков B.C., Полеводов П.С. Математическое моделирование на ЭВМ устройств высокочастотного нагрева. JL: Машиностроение, 1980.-64 с.

48. Немков B.C., Демидович В.Б. Теория и расчет устройств индукционного нагрева. JL: Энершатомиздат, 1988. - 280 с.

49. Никитенко Н.И., Кольчик Ю.Н., Сороковая Н.Н. Метод канонических элементов для моделирования гидродинамики и тепломассообмена в областях произвольной формы. // Инженерно-физический журнал, 2002, №6. с.74-80.

50. Острейко В.Н. Расчет электромагнитных полей в многослойных средах. Л.: Издательство Ленинградского университета, 1981. 152с.

51. Павлов Н.А. Инженерные тепловые расчеты индукционных нагревателей. М.-Л.: Энергия, 1978-120с.

52. Рапопорт Э.Я. Оптимизация процессов индукционного нагрева металла. М.: Металлургия, 1993. - 279 с.

53. Себиси Т., Брэдшоу П. Конвективный теплообмен. Физические основы и вычислительные методы: Пер. с англ. -М.: Мир, 1987. 592с.

54. Сидоренко В.Д. Применение индукционного нагрева в машиностроении. -Л.: Машиностроение, 1980. -231с.

55. Синдяков Л.В. Оптимизация энерготехнологических характеристик установившихся режимов работы индукционных установок непрерывного действия для нагрева стальных заготовок: Автореф. дисс. канд. техн. наук.-Л., 1984. -19с.

56. Скобло А.И., Молоканов Ю.К., Владимиров А.И., Щелкунов В.А. Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии. М.: Недра, 2000 -378 с.

57. Слухоцкий А.Е., Рыскин С.Е. Индукторы для индукционного нагрева машиностроительных деталей. Л.: Энергия, 1975. 183 с.

58. Справочник по гидравлике / под ред. В.А. Большакова, К.: Высшая школа, 1984.-343 с.

59. Справочник по теплообменным аппаратам / П.И. Бажан, Г.Е. Канавец, В.М. Селиверстов., М.: Машиностроение, 1989. 368 с.

60. Теплофизические свойства жидкостей и газов Сб. статей Махачкала: Б.и., 1979.-127с.

61. Теплотехнический справочник: В 2-х т. Под общей редакцией В.Н. Юре-нева и П.Д. Лебедева 2-е изд., перераб. М., "Энергия", 1975. - 436с.

62. Тозони О.В., Майергойз И.Д. Расчёт трехмерных электромагнитных полей. К.: Техника, 1974. - 352 с.

63. Трубопроводный транспорт вязких нефтей /Н.К. Надиров, П.И. Тугунов/, Алма-Ата, Наука, 1985. 146с.

64. Трубопроводный транспорт нефти: Сб. науч. трудов/Уфа, ВНИИСПТ-нефть, 1987.- 136с.

65. Тугунов П.И. Нестационарные режимы перекачки нефтей и нефтепродуктов. М.: Недра, 1984, - 224 с.

66. Тугунов П.И., Новоселов В.И. Транспортирование вязких нефтей и нефтепродуктов по трубопроводам. М., Недра, 1972. 158 с.

67. Установки индукционного нагрева / Под ред. А. Е. Слухоцкого- Л.: Энергоиздат, 1981. 326 с.

68. Фарамазов С.А. Оборудование нефтеперерабатывающих заводов и его эксплуатация. М.:Химия, 1984. - 328с.

69. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.1. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 504с.

70. Флетчер К. Вычислительные методы в динамике жидкостей. В 2-х т.: Т.2. Пер. с англ.-М.:Мир, 1991. 552с.

71. Химические аппараты с индукционным обогревом/ С.А. Горбатков, А.Б. Кувалдин, В.Е. Минеев, В.Е.Жуковский. М.: Химия, 1985, 65с

72. З.И. Фонарев, Г.И. Иванов, И.И. Еремин. Электроподогрев трубопроводов на нефтебазах. Обзорная информация. Серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". М., ВНИИОЭНГ, 1982, 127с.

73. Фонарев 3. И. Электроподогрев трубопроводов, резервуаров и технологического оборудования в нефтяной промышленности. JI.; Недра, 1984. -148 с.

74. Фомин Н.И., Затуловский Н.М. Электрические печи и установки индукционного нагрева. М.: Металлургия, 1979. с.239 243.

75. Шкадов В.Я., Запрянов З.Д. Течение вязкой жидкости. М.: Издательство Московского университета, 1984.-200 с.

76. Шумаков М.А. Разработка и исследование системы индукционного нагрева вязких жидкостей при производстве строительных мастик: Автореф. дисс.канд. техн. наук. Самара., 2003. -20 с.

77. Aris R. Vectors, Tennsors and the Basic Equations of Fluid Dinamics. Engle-wood Cliffs, N.J.: Prentice-Half, 1962.

78. Launder B.E., Spalding D.B. Comput. Methodes Appl. Mesh. Eng., 1974, 3, p.269-289.

79. Patel V.C., Rodi W., Scheurer G. AIAA J., 1985, 23, p.1308-1319.

80. Handbook of Induction Heating. Valeri Rudnev, Don Loveless, Raymond Cook, Mican Black. New York Basel 2003, p. 777

www.dissercat.com

индукционный нагреватель - патент РФ 2284407 -

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к технике интенсификации добычи нефти и газа путем разрушения асфальтосмолистых, гидратно-парафиновых и ледяных отложений (АСГПиЛО) в нефтяных и газовых скважинах. Обеспечивает повышение эффективности воздействия на АСГПиЛО для их разрушения, а также существенное увеличение скорости такого воздействия, чем достигают высокий коэффициент действия нагревателя. Сущность изобретения: нагреватель содержит кожух, несущий элемент. На несущем элементе размещены последовательно соединенные индукционные катушки, снабженные ферритовыми магнитопроводами. Несущий элемент выполнен в виде токопроводящего немагнитного стержня. На нижнюю часть несущего элемента замкнут выходящий виток последней обмотки нижней катушки. Верхняя часть кожуха выполнена из немагнитного и неэлектропроводящего материала. Нижняя часть кожуха выполнена из магнитного и электропроводящего материала. Обмотки катушек намотаны на ферритовые магнитопроводы с разными диаметрами. Обмотки верхней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с большим диаметром. Обмотки нижней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с меньшим диаметром. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2284407

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к технике интенсификации добычи нефти и газа путем разрушения асфальтосмолистых, гидратно-парафиновых и ледяных отложений (АСГПиЛО) в нефтяных и газовых скважинах.

Известен индукционный нагреватель, содержащий корпус, являющийся насосно-компрессорной трубой (НКТ), нагревательный элемент в виде трехпроводной двухслойной катушки, которая намотана по наружной поверхности корпуса (патент РФ 2198284, кл. Е 21 В 36/04, Е 21 В 43/24, 2001 г.).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность, так как нагреватель стационарно устанавливается на НКТ и производит нагрев жидкости, протекающей только на данном участке НКТ, что не позволяет разрушать или предотвращать образование АСГПиЛО на протяженных участках НКТ.

Известен индукционный нагреватель, включающий кожух, несущий элемент с размещенными на нем индукционными катушками. Несущий элемент выполнен в виде корпуса, концентрично установленного относительно кожуха, и образующий с ним кольцевую полость, в полости корпуса установлен сердечник, выполненный полым, при этом индукционные катушки установлены относительно кожуха с зазором, а полость сердечника связана с кольцевой полостью между корпусом и кожухом (патент РФ 2010954, кл. Е 21 В 43/24, 1994 г.).

Недостатком указанного нагревателя является применение его в статическом положении, что значительно снижает его эффективность и функциональные возможности при его использовании.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является скважинный индукционный нагреватель, включающий кожух, несущий элемент с размещенными на нем индукционными катушками, несущий элемент выполнен в виде стержня, который соосно размещен в кожухе, индукционные катушки снабжены ферритовыми магнитопроводами, стержень и кожух выполнены из немагнитного и неэлектропроводящего материала, индукционные катушки соединены последовательно (патент РФ 2200228, кл. Е 21 В 36/04, 37/00, 2001 г.).

Недостатком данного устройства является низкая эффективность при разрушении АСГПиЛО, так как нагрев передается только через стенки НКТ и прогретую область АСГПиЛО, что значительно снижает скорость очистки скважины, а ликвидацию так называемых "глухих" пробок невозможным.

Задачей изобретения является создание индукционного нагревателя, лишенного указанных недостатков, имеющего минимальные теплопотери, надежного и безопасного, имеющего нагревательную часть непосредственно контактирующую с АСГПиЛО и индуктор, воздействующий на стенки НКТ с целью их разогрева.

Поставленная цель достигается тем, что в индукционном нагревателе, содержащем кожух, несущий элемент, расположенный соосно с кожухом с размещенными на нем последовательно соединенными индукционными катушками, снабженными ферритовыми магнитопроводами, кроме того, несущий элемент, выполнен в виде токопроводящего немагнитного стержня, на нижнюю часть которого замыкается выходящий виток последней обмотки нижней катушки индукционного нагревателя. Верхняя часть несущего элемента через разъем замыкается на броневую оболочку геофизического кабеля, первая обмотка верхней катушки подключена через разъем к центральной жиле кабеля (ЦЖК). Верхняя часть кожуха выполнена из немагнитного и неэлектропроводящего материала, нижняя часть кожуха выполнена из магнитного и электропроводящего материала, при этом обмотки катушек намотаны на ферритовые магнитопроводы с разными диаметрами, причем обмотки верхней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с большим диаметром, а обмотки нижней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с меньшим диаметром.

На чертеже представлен продольный разрез индукционного нагревателя.

Индукционный нагреватель содержит кожух 1, несущий элемент 2. На несущем элементе размещены последовательно соединенные индукционные катушки 3, 4, снабженные ферритовыми магнитопроводами 5, 6, несущий элемент 2 выполнен в виде токопроводящего немагнитного стержня. На нижнюю часть несущего элемента 2 замыкается выходящий виток последней обмотки нижней катушки 4. Верхняя часть несущего элемента 2 через разъем 7 замыкается на броневую оболочку 8 геофизического кабеля 9. Первая обмотка верхней катушки 3 подключена через разъем 7 к центральной жиле кабеля 10 (ЦЖК). Верхняя часть кожуха 1 выполнена из немагнитного и неэлектропроводящего материала 11. Нижняя часть кожуха выполнена из магнитного и электропроводящего материала 12. Обмотки катушек 3, 4 намотаны на ферритовые магнитопроводы 5, 6 с разными диаметрами, причем обмотки верхней катушки 3 намотаны на ферритовый магнитопровод 5 с большим диаметром, а обмотки нижней катушки 4 намотаны на ферритовый магнитопровод 6 с меньшим диаметром.

Индукционный нагреватель работает следующим образом.

Подключенный к источнику высокочастотной энергии посредством геофизического кабеля 9 индукционный нагреватель опускают в скважину. При прохождении тока высокой частоты по обмоткам катушки 3 создается электромагнитное поле, которое индуцирует на соответствующем участке насосно-компрессорной трубы вихревые токи, вызывающие нагрев металла трубы. Протекание тока высокой частоты по катушке 4 вызывает нагрев вихревыми токами нижней части 12 корпуса нагревателя. Интенсивно выделяющееся тепло в нижней части нагревателя способствует ускоренному и эффективному разогреву и разрушению АСГПиЛО. В процессе работы индукционный нагреватель опускается ниже, разогревая и разрушая АСГПиЛО на всю глубину их образования.

Использование предлагаемого индукционного нагревателя позволит значительно повысить эффективность воздействия на АСГПиЛО с целью их разрушения, а также существенно увеличит скорость такого воздействия. Таким образом, достигается высокий коэффициент действия предложенного индукционного нагревателя.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Индукционный нагреватель, содержащий кожух, несущий элемент, расположенный соосно с кожухом с размещенными на нем последовательно соединенными индукционными катушками, снабженными ферритовыми магнитопроводами, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен в виде токопроводящего немагнитного стержня, на нижнюю часть которого замкнут выходящий виток последней обмотки нижней катушки индукционного нагревателя, верхняя часть несущего элемента через разъем замкнута на броневую оболочку геофизического кабеля, первая обмотка верхней катушки подключена через разъем к центральной жиле кабеля (ЦЖК), верхняя часть кожуха выполнена из немагнитного и неэлектропроводящего материала, нижняя часть кожуха выполнена из магнитного и электропроводящего материала, при этом обмотки катушек намотаны на ферритовые магнитопроводы с разными диаметрами, причем обмотки верхней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с большим диаметром, а обмотки нижней катушки намотаны на ферритовый магнитопровод с меньшим диаметром.

www.freepatent.ru

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА НЕФТЕПРОДУКТОВ

Изобретение относится к технике подогрева вязких нефтепродуктов для дальнейшего их транспортирования по магистральным трубопроводам.

Известен индукционный нагреватель текучей среды (пат.RU №2030128, опубл. 27.02.1995 г.), который содержит магнитопровод, выполненный в виде трубы, замкнутой на снабженных подводящим и отводящим патрубками концах, нагревательную обмотку, размещенную на магнитопроводе. Магнитопровод может быть выполнен в форме тороида с внутренней радиальной перегородкой, по разные стороны от которой размещены указанные патрубки. Магнитопровод может быть выполнен в виде спирали, каждый кольцевой виток которой замкнут на себя.

Недостатком данной конструкции является то, что подогрев осуществляют только в тонком пристеночном слое потока жидкости. Кроме того, на внутренней поверхности трубы отсутствуют дополнительные ребра, наличие которых позволило бы повысить коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубы к подогреваемой жидкости.

Известен теплообменный аппарат (пат. RU №2119629, опубл. 27.09.1998 г.), который содержит цилиндрический корпус, соосно расположенный внутри корпуса цилиндрический элемент - ротор, который вместе с внутренней поверхностью корпуса образует кольцевой зазор для прохождения нагреваемой жидкости, коллекторные камеры, подключенные к корпусу и имеющие лопаточные колеса для прокачки нагреваемой жидкости. Внешняя поверхность корпуса покрыта термостойкой электроизоляцией, поверх которой расположена токоведущая обмотка с магнитопроводами. Всасывающая коллекторная камера снабжена нагревательной камерой в виде кольцевой полости, охватывающей корпус с отверстиями по его периметру, сообщающими нагнетательную камеру с кольцевым зазором. Диаметр лопаточного колеса превышает диаметр ротора. Аппарат снабжен перепускной трубкой с регулирующим органом, один конец трубки расположен в сечении нагнетательного патрубка и загнут встречно потоку нагреваемой жидкости, а другой конец - в сечении всасывающего патрубка и загнут в направлении по ходу потока жидкости, идущей в аппарат.

Недостатком данного изобретения является необходимость в установке движителя для вращения ротора, что увеличивает габариты установки в целом, удорожает ее и повышает объемы работ при ее установке и обслуживании.

Известно «Устройство для индукционного нагрева жидкости в трубопроводе» (пат. RU №2120703, опубл. 20.10.1998 г.), принятое за прототип и которое включает последовательно соединенные регулятор переменного тока, индукционный нагреватель, содержащий по меньшей мере одну индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающую цилиндрическую магнитопроводную емкость, имеющую связанные с трубопроводом входной и выходной патрубки, первый термодатчик, механически закрепленный на входной магистрали трубопровода. В устройство введены в качестве регулятора переменного тока последовательно соединенные выпрямитель переменного тока и инвертор, выход которого подключен к электрическому входу индукционного нагревателя, а второй вход - к выходу блока управления инвертором, второй термодатчик, механически закрепленный на входной магистрали трубопровода, выходы первого и второго термодатчиков соединены с входами узла сравнения температур, один из выходов последнего подключен к входу блока управления инвертором, а второй - к входу блока управления насосом, выход блока управления насосом подсоединен к управляющему входу насоса. Насос механически закреплен на трубопроводе между входной и выходной магистралями, а в индукционном нагревателе по меньшей мере одна индукционная обмотка, заключенная в герметичный цилиндрический корпус с электротеплоизоляционными прокладками, размещена внутри цилиндрической магнитопроводной емкости, внутри емкости закреплены также по меньшей мере один цилиндрический и один круговой распределители потока нагреваемой жидкости, расположенные соответственно вдоль продольной и поперечной осей магнитопроводной цилиндрической емкости. Снаружи индукционный нагреватель заключен в магнитопроводный экран, а затем - в теплоизоляционный кожух, причем указанные магнитопроводная емкость, корпус внутренней индукционной обмотки и распределители потока нагреваемой жидкости изготовлены из тонколистовой ферромагнитной стали. В индукционном нагревателе может быть размещена по меньшей мере еще одна внутренняя индукционная обмотка, каждая обмотка заключена в герметичный цилиндрический корпус и обмотки закреплены в магнитопроводной емкости концентрично одна в другой с зазором между ними. В индукционном нагревателе может быть размещена по меньшей мере еще одна внутренняя индукционная обмотка, каждая обмотка заключена в герметичный цилиндрический корпус и обмотка закреплена в магнитопроводной емкости одна над другой с зазором между ними.

Недостатком является сложность в изготовлении и обслуживании. Конструкция устройства не позволяет в случае выхода из строя внутренней индукционной обмотки произвести ее замен без вскрытия и опустошения цилиндрической емкости. Кроме того, насос, используемый в устройстве, предназначен только для начального разгона теплых слоев жидкости путем принудительной термоконвекции при включении нагрева, что не позволяет использовать его при установившемся режиме работы устройства для прокачки больших объемов жидкости.

Техническим результатом является упрощение конструкции нагревателя, а также повышение надежности работы устройства.

Технический результат достигается тем, что устройство для индукционного нагрева нефтепродуктов, включающее индукционный нагреватель, заключенный в магнитопроводный экран, а затем - в теплоизоляционный кожух, и содержащий индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающей цилиндрическую емкость, содержащую цилиндрический элемент и имеющую связанные с трубопроводом входной и выходной патрубки, выпрямитель переменного тока и инвертор, соединенный с индукционной обмоткой и блоком управления инвертором, датчики температуры входного и выходного потока, соединенные с блоком сравнения температур, который подключен к блоку управления инвертором и блоку управления насосом, соединенному с насосом, снабжено перепускной трубой, один конец которой расположен в сечении входного нагнетательного патрубка, на входе которого механически закреплен насос, а другой конец - в сечении выходного всасывающего патрубка, с автоматическим запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком управления запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком сравнения температур, при этом индукционный нагреватель расположен горизонтально, цилиндрическая емкость выполнена из немагнитного материала с установленной по направлению движения жидкости вертикальной стенкой, а цилиндрический элемент выполнен в виде теплообменной трубы из ферромагнитного материала, которая расположена внутри цилиндрической емкости с зазором и снабжена горизонтальными теплообменными стержнями, установленными внутри трубы в шахматном порядке, теплообменными полусферами, расположенными на ее внешней поверхности в шахматном порядке, и термодатчиком, установленным на внешней поверхности теплообменной трубы и соединенным с блоком сравнения температур.

Блок-схема устройства представлена на фиг.1. Принципиальная схема индукционного нагревателя представлена на фиг.2. На фиг.3 представлено поперечное сечение индукционного нагревателя

Устройство содержит последовательно соединенные выпрямитель 1, инвертор 2, индукционную обмотку 3 индукционного нагревателя 4. Выпрямитель 1 подключен к внешней электрической сети, от которой питается индукционный нагреватель 4. Устройство содержит блок управления инвертором 5, вход которого подсоединен к выходу блока сравнения температур 7. Выход блока управления инвертором 5 связан с входом инвертора 2. Блок сравнения температур 7 имеет 3 входа и 3 выхода: входы электрически соединены с выходами термодатчика 6, датчика температуры входного потока 8 и датчика температуры выходного потока 9, а выходы - с блоком управления инвертором 5, блоком управления насосом 10 и блоком управления запорно-регулирующим органом 11. Выход блока управления насосом подсоединен к управляющему входу насоса 12, подающего под напором жидкость в индукционный нагреватель 4. Выход блока управления запорно-регулирующего органа 11 связан с входом автоматического запорно-регулирующего органа 13.

Индукционный нагреватель 4, расположенный горизонтально, содержит цилиндрическую емкость 14, выполненную из немагнитного материала в виде толстостенной трубы с установленной по направлению движения жидкости вертикальной стенкой 15, и соосно расположенный внутри емкости 14 цилиндрический элемент, выполненный в виде тонкостенной теплообменной трубы 16 из ферромагнитного материала. Стенка 15, выполненная из немагнитного материала, позволяет изменять направления движения потока жидкости, тем самым обеспечивая систему противотока. Между цилиндрической емкостью 14 и теплообменной трубой 16 образовано кольцевое пространство для прохождения нагреваемой жидкости. Теплообменная труба 16 размещена внутри цилиндрической емкости 14 с зазором не менее 20 мм. По наружной поверхности цилиндрической емкости 14 проложена электротеплоизоляционная прокладка 17, затем закреплена токоведущая индукционная обмотка 3. Поверх индукционного нагревателя 4 расположен магнитопроводный экран 18, изготовленный из магнитодиэлектрика, и теплоизоляционный кожух 19, который уменьшает тепловые потери в окружающую среду.

Теплообменная труба 16 снабжена горизонтальными теплообменными стержнями 20, установленными внутри нее в шахматном порядке. Такое расположение стержней 20 по сравнению с другими возможными вариантами дает максимальный тепловой эффект от их использования (за счет поддержания теплообменными стержнями 20 процесса турбулизации потока, что приводит к интенсификации процесса теплообмена между жидкой средой и теплообменными стержнями 20) и, в то же время, не препятствует свободному течению жидкости. Теплообменные стержни 20 изготовлены из ферромагнитного материала.

Теплообменная труба 16 снабжена также термодатчиком 6, установленным на внешней поверхности трубы 16, и теплообменными полусферами 21, расположенными на ее внешней поверхности в шахматном порядке. Теплообменные полусферы 21 изготовлены из ферромагнитного материала. Установка теплообменных полусфер 21 обеспечивает турбулизацию потока жидкости в тонком пристеночном слое трубы 16, что позволяет интенсифицировать процесс теплообмена. Установка теплообменных полусфер 21 рекомендуется при величине зазора между трубой 16 и цилиндрической емкостью 14 от 30 мм и выше.

Таким образом, индукционный нагревательный элемент в устройстве образован совокупностью узлов - магнитопроводный экран 18, индукционная обмотка 3, Теплообменная труба 16 с теплообменными стержнями 20 и полусферами 21.

Термодатчик 6 установлен на верхней образующей внешней цилиндрической поверхности трубы 16 и служит для контроля температуры жидкости в тонком пристеночном слое трубы 16.

Входной нагнетательный патрубок 22 и выходной всасывающий патрубок 23 снабжены перепускной трубой 24 с автоматическим запорно-регулирующим органом 13, один конец которой расположен в сечении нагнетательного патрубка 22, а другой конец - в сечении всасывающего патрубка 23. Перепускная труба 24 позволяет осуществлять многократную прокачку через устройство подогреваемой жидкости для быстрого ее подогрева. Автоматический запорно-регулирующий орган 13 позволяет изменять объем обратного потока в широких пределах.

На входе нагнетательного входного патрубка 22 механически закреплен насос 12. Во время работы индукционного нагревателя 4 насос 12 непрерывно осуществляет прокачку нагреваемой жидкости.

Площадь поперечного сечения кольцевого пространства между теплообменной трубой 16 и цилиндрической емкостью 14 должна быть равна площади поперечного сечения полости трубы 16, а также должна обеспечить требуемую пропускную способность устройства. Рекомендуемые внешние диаметры теплообменной трубы 16 и соответствующие им диаметры цилиндрической емкости 14 представлены в таблице на фиг.4. Длина цилиндрической емкости 14 определяется требуемой величиной нагрева перекачиваемой жидкости, но должна быть не менее 1,5 м.

Наличие системы противотока, благодаря которой нагреваемая жидкость дважды проходит вдоль индукционного нагревателя 4 - сначала по внутренней полости теплообменной трубы 16, затем в обратном направлении по кольцевому межтрубному пространству, создаваемому теплообменной трубой 16 и цилиндрической емкостью 14 - позволяет минимизировать габариты индукционного нагревателя (горизонтальный линейный размер) и повысить эффективность его работы.

Устройство работает следующим образом. Индукционный нагреватель 4 подключают к электрической сети в 220В/380В с помощью выпрямителя 1, который преобразует переменный электрический ток в постоянный. Инвертор 2 преобразует постоянный ток в переменный высокой частоты и подает его на индукционную обмотку 3 индукционного нагревателя 4. Нефтепродукт, под действием напора, создаваемого насосом 12, поступает во входной нагнетательный патрубок 22. Вместе с этим на индукционную обмотку 3 поступает ток высокой частоты. Подачей высокочастотного тока, текущего в индукционной обмотке 3, создают вокруг обмотки 3 высокочастотное переменное магнитное поле. Магнитопроводным экраном 18 снижают величину магнитных потоков рассеяния, что повышает КПД устройства.

Так как частота изменения магнитного поля очень высокая, вихревые токи наводятся в ферромагнитном материале теплообменной трубы 16 на небольшой глубине, что позволяет минимизировать толщину стенки теплообменной трубы 16. Теплообменную трубу 16 изготавливают из тонколистовой ферромагнитной стали, что решает задачу уменьшения металлоемкости, веса индукционного нагревателя, а также снижает тепловую инерционность устройства. Цилиндрическая емкость 14 выполнена из немагнитной стали, что позволяет снизить величину нагрева емкости 14 в результате воздействия на нее переменного магнитного поля, и тем самым, уменьшить величину тепловых потерь в окружающую среду. Толщина стенки цилиндрической емкости 14 должна обеспечивать достаточную прочность и надежность устройства.

Далее в теплообменной трубе 16, начинается процесс нагрева перекачиваемого нефтепродукта за счет обтекания им горячих горизонтально расположенных по своей оси теплообменных стержней 20 из ферромагнитного материала и внутренней гладкой поверхности теплообменной трубы 16. Труба 16 и теплообменные стержни 20 выделяют тепловую энергию в результате воздействия на них высокочастотного переменного магнитного поля, наводящего в ферромагнитном материале теплообменной трубы 16 и теплообменных стержней 20 нагревающие их вихревые токи.

От вихревых токов вследствие электрического сопротивления ферромагнитного материала нагреваются теплообменная труба 16, теплообменные стержни 20, а также полусферы 21.

На выходе из теплообменной трубы 16 поток жидкости направляют в стенку 15 полусферической формы. Далее жидкость движется в противоположном первоначальному направлении по межтрубному кольцевому пространству, создаваемому трубой 16 и цилиндрической емкостью 14, нагреваясь при этом от внешней стенки трубы 16 и приваренных к ней теплообменных полусфер 21.

Подогретая жидкость под напором выходит через всасывающий патрубок 23, расположенный в нижней части цилиндрической емкости 14. Такое расположение всасывающего патрубка 23 способствует выносу скоплений (различных твердых фракций нефтепродукта), которые могут накапливаться вдоль нижней образующей цилиндрической емкости 14.

В случае регистрации блоком сравнения температур 7 с помощью термодатчика 6 превышения температуры нагрева стенки трубы 16 над значением температуры кипения легких фракций, содержащихся в нефтепродукте, происходит передача соответствующего сигнала от блока сравнения температур 7 на блок управления инвертером 5, после чего блок управления инвертором 5 с помощью инвертора 2 снижает мощность работы индукционного нагревателя 4 посредством уменьшения величины тока, питающего индукционную обмотку 3. Данный алгоритм позволяет минимизировать возможность возникновения аварийной ситуации, тем самым повысив надежность работы устройства.

Для регулирования в режиме реального времени температуры нефтепродукта на выходе индукционного нагревателя внутри всасывающего патрубка 23 и нагнетательного патрубка 22 установлены датчик температуры выходного потока 9 и датчик температуры входного потока 8 соответственно. Блок сравнения температур 7 принимает сигналы с датчика температуры входного потока 8 и датчика температуры выходного потока 9, сравнивает их и, на основе этого, передает сигнал на блок управления инвертором 5 о необходимости повысить либо снизить текущую мощность нагрева нефтепродукта индукционным нагревателем 4.

В случае, когда требуется осуществить быстрый нагрев нефтепродукта до высокой температуры, но блок сравнения температур 7 регистрирует с термодатчика 6 максимально возможную для данного нефтепродукта температуру нагрева (близкую к температуре кипения легких фракций нефтепродукта) трубы 16, теплообменных стержней 20 и полусфер 21, блок сравнения температур 7 подает соответствующий сигнал о необходимости повышения температуры выходного потока блоку управления запорно-регулирующим органом 11, который, в свою очередь, осуществляет открытие автоматического запорно-регулирующего органа 13 на определенную величину. Одновременно, если требуется сохранить либо повысить объем перекачиваемого нефтепродукта в единицу времени, блок сравнения температур 7 передает на блок управления насосом 10 сигнал о необходимости увеличения подачи насоса 12. После этого в индукционном нагревателе 4 осуществляется циркуляция нагреваемого нефтепродукта за счет его многократного прохода через перепускную трубу 24, что приводит к ускоренному нагреву нефтепродукта до требуемой температуры.

Горизонтальное расположение индукционного нагревателя 4 позволяет эксплуатировать его в производственных зданиях, имеющих малые габариты в вертикальном направлении, а также облегчить работу при установке и обслуживании устройства.

Магнитопроводный экран 18, электротеплоизоляционная прокладка 17 и теплоизоляционный кожух 19 в устройстве выполняют энергосберегающую функцию.

Таким образом, устройство обеспечивает повышение надежности работы при упрощении его конструкции и уменьшении габаритов и веса нагревателя.

Устройство для индукционного нагрева нефтепродуктов, включающее индукционный нагреватель, заключенный в магнитопроводный экран, а затем - в теплоизоляционный кожух и содержащий индукционную обмотку с электротеплоизоляционной прокладкой, охватывающей цилиндрическую емкость, содержащую цилиндрический элемент и имеющую связанные с трубопроводом входной и выходной патрубки, выпрямитель переменного тока и инвертор, соединенный с индукционной обмоткой и блоком управления инвертором, датчики температуры входного и выходного потока, соединенные с блоком сравнения температур, который подключен к блоку управления инвертором и блоку управления насосом, соединенному с насосом, отличающееся тем, что оно снабжено перепускной трубой, один конец которой расположен в сечении входного нагнетательного патрубка, на входе которого механически закреплен насос, а другой конец - в сечении выходного всасывающего патрубка, с автоматическим запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком управления запорно-регулирующим органом, соединенным с блоком сравнения температур, при этом индукционный нагреватель расположен горизонтально, цилиндрическая емкость выполнена из немагнитного материала с установленной по направлению движения жидкости вертикальной стенкой, а цилиндрический элемент выполнен в виде теплообменной трубы из ферромагнитного материала, которая расположена внутри цилиндрической емкости с зазором и снабжена горизонтальными теплообменными стержнями, установленными внутри трубы в шахматном порядке, теплообменными полусферами, расположенными на ее внешней поверхности в шахматном порядке, и термодатчиком, установленным на внешней поверхности теплообменной трубы и соединенным с блоком сравнения температур.

edrid.ru