Устройство для индукционного нагрева
Изобретение относится к области индукционного нагрева. Для повышения надёжности работы устройства для индукционного нагрева токопровод выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый-второй и седьмой-восьмой ряды прямой ветви, а третий-четвёртый и пятый-шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви, на середине устройства перекрёстно меняются рядами, причём концы первого-второго и седьмого-восьмого рядов прямой ветви занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего-четвёртого и пятого-шестого рядов обратной ветви занимают средние ряды прямой ветви. 7 ил.
Изобретение относится к индукционному нагреву металлических изделий, например труб, и может быть использовано для местного нагрева трубопроводов при сварке и изолировании стыков труб.
Известны устройства для индукционного нагрева, представляющие собой гибкий кабель-индуктор, который наматывают на участок трубы, подлежащий нагреву (А.Б. Кувалдин. Низкотемпературный индукционный нагрев стали. - М.: Энергия, 1976, с. 48).
К недостаткам данных устройств следует отнести:
1. Ограниченный ресурс работы. Ввиду тяжёлых температурных режимов работы изоляции ресурс таких устройств ограничен 50-100, а при циклической работе (нагрев-охлаждение) - 20-25 циклами, что снижает надёжность работы устройств.
2. Пониженные удобства эксплуатации, связанные с тем, что каждый раз при переходе от одного нагреваемого объекта к другому необходим демонтаж устройства с предыдущего объекта и последующий его монтаж на другом объекте. Кроме того, эти устройства при нагреве внешней изоляции требуют установки дополнительных защитных втулок.
3. Повышенные потери в кабеле-индукторе, связанные с рассеянием магнитного поля, что снижает его КПД.
Известно также устройство для индукционного нагрева (Патент России № 2174291, H05B 6/36. Опубл. 27.09.2001), содержащее две изолированные секции с участками полуцилиндрической формы, соединённые шарниром, ось которого параллельна осям полуцилиндров, причём секции выполнены в виде прямоугольных катушек с витками, проходящими по поверхности полуцилиндров, и первая секция имеет два контактных вывода; вторая секция выполнена в виде зеркального отображения первой, контактные выводы секций расположены на половинах секций, прилегающих к оси шарнира, при этом первая пара зеркально расположенных контактных выводов соединена гибкой проводящей перемычкой, а вторая пара служит для подключения к источнику питания.
Недостатками устройства являются:
1. Сложность изготовления, связанная с тем, что, во-первых, две изолированные секции должны иметь полуцилиндрическую форму, изготовление которых не простая задача. Во-вторых, эти секции должны быть соединены шарниром и ось этого соединения должна быть обязательно параллельна осям полуцилиндров, что также вызывает трудности в изготовлении и снижает надёжность работы, так как при эксплуатации (со временем) нарушается параллельность оси шарнира с осями полуцилиндров.
2. Пониженный КПД за счёт дополнительных потерь в гибкой проводящей перемычке, которая также снижает надёжность работы устройства, так как перемычка при больших токах перегревается и может выйти из строя.
3 Пониженные удобства эксплуатации. Данное устройство пригодно для местного нагрева трубопровода при сварке труб и изолировании стыков труб одного диаметра. Для нагрева труб другого диаметра необходимы и изолированные секции с участками полуцилиндрической формы других размеров, что снижает надёжность работы устройства.
Известно устройство для индукционного нагрева, выбранное в качестве прототипа заявляемого изобретения (Патент России RU № 2356186, C21D 1/42. Опубл. 20.05.2009. Бюл. № 14), содержащее магнитопровод, токопровод, расположенный внутри магнитопровода, крепёжные элементы, термоизоляцию, при этом токопровод, выполненный из гибкого медного изолированного провода, образует плоскую полосу с прямой и обратной ветвями, концы которых заканчиваются байонетными соединителями, а по всей длине прямой и обратной ветвей токопровода равномерно закреплены полуовальные сердечники магнитопровода из ленты аморфных сплавов, которые максимально приближены к поверхности нагреваемого объекта, причём для закрепления токопровода по всей длине использованы крепёжные элементы из изоляционного материала, а для закрепления самого устройства для индукционного нагрева на нагреваемом объекте дополнительно введены стяжные ленты, проходящие через крепёжные элементы над прямой и обратной ветвями токопровода; пряжка и панель с замком, при этом магнитопровод, токопровод с крепёжными элементами из изоляционного материала и дополнительная панель размещены в чехле из механически прочной ткани, защищённым чехлом из термостойкого материала, а стяжные ленты проходят через отверстия в чехлах.
Недостатком данного устройства является неравномерное распределение тока по параллельным рядам токопровода и, как следствие, неравномерный нагрев этих рядов. Причиной такого распределения являются, во-первых, разная длины проводов в рядах (например, наружный провод и внутренний) и охватываемая ими площадь и, во-вторых, взаимное электромагнитное влияния рядов друг на друга (эффект близости).
Разная длина проводов (соответственно, разное омическое сопротивление) приводит также к разности и их активного сопротивления; а площадь витка определяет его индуктивное сопротивление. В результате, полное сопротивление провода (от которого зависит ток в конкретном ряду) и влияние эффекта близости, проявляющегося в вытеснении тока к крайним рядам прямой и обратной ветвей устройства, приводит к токовой недозагрузке проводов одних рядов и недопустимой перегрузке других, что на практике приводит к выходу из строя всего устройства, снижая надёжность его работы.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надёжности работы устройства за счёт выравнивания токов, протекающих через параллельные ряды токопровода путём изготовления этих рядов из гибкого медного изолированного провода одной и той же длины, образующие плоскую полосу с прямой и обратной ветвями, крайние ряды которых в середине устройства перекрёстно меняются рядами.
Задача решается тем, что в устройстве для индукционного нагрева, содержащем магнитопровод, токопровод, расположенный внутри магнитопровода, крепёжные элементы, термоизоляцию, при этом токопровод, выполненный из гибкого медного изолированного провода, образует плоскую полосу с прямой и обратной ветвями, концы которых заканчиваются байонетными соединителями, а по всей длине прямой и обратной ветвей токопровода равномерно закреплены полуовальные сердечники магнитопровода из ленты аморфных сплавов, которые максимально приближены к поверхности нагреваемого объекта, причём для закрепления токопровода по всей длине использованы крепёжные элементы из изоляционного материала, а для закрепления самого устройства для индукционного нагрева на нагреваемом объекте дополнительно введены стяжные ленты, проходящие через крепёжные элементы над прямой и обратной ветвями токопровода; пряжка и панель с замком, при этом магнитопровод, токопровод с крепёжными элементами из изоляционного материала и дополнительная панель размещены в чехле из механически прочной ткани, защищённым чехлом из термостойкого материала, а стяжные ленты проходят через отверстия в чехлах, - токопровод выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый - второй и седьмой - восьмой ряды прямой ветви, а третий - четвёртый и пятый - шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви, - на середине устройства перекрёстно меняются рядами, причём концы первого - второго и седьмого - восьмого рядов прямой ветви - занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего - четвёртого и пятого - шестого рядов обратной ветви - занимают средние ряды прямой ветви.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1…фиг. 7: фиг. 1 - устройство для индукционного нагрева без чехлов; фиг. 2 - устройство для индукционного нагрева с чехлами и стяжными лентами; фиг. 3 - крепёжный элемент - панель 3 из изоляционного материала; фиг. 4 - упрощённая схема раскладки рядов прямой и обратной ветвей токопровода; фиг. 5 - упрощённая схема перекрёстного изменения распределения на середине устройства первого - второго и седьмого - восьмого рядов прямой ветви: и третьего - четвёртого и пятого - шестого рядов обратной ветви токопровода; фиг. 6 - электрическая схема индукционной установки для предварительного нагрева (перед сваркой) стыков стальных труб; фиг. 7 - индукционная установка для предварительного (перед сваркой) нагрева стыков стальных труб.
Устройство для индукционного нагрева содержит магнитопровод 1, токопровод 2, расположенный внутри магнитопровода 1, крепёжные элементы 3, 4, 5, 6, 7, термоизоляцию 8, 9, токопровод 2, выполненный из гибкого медного изолированного провода, образует плоскую полосу с прямой 10 и обратной 11 ветвями, концы которых заканчиваются байонетными соединителями 12, 13, а по всей длине прямой 10 и обратной 11 ветвей токопровода 2 равномерно закреплены полуовальные сердечники 1 магнитопровода 1 из ленты аморфных сплавов, которые максимально приближены к поверхности нагреваемого объекта, причём для закрепления токопровода 2 по всей длине использованы крепёжные элементы 3, 4, 5, 6, 7 из изоляционного материала, а для закрепления самого устройства для индукционного нагрева на нагреваемом объекте дополнительно введены стяжные ленты 14, 15, проходящие через крепёжные элементы 4, 6 над прямой 10 и обратной 11 ветвями токопровода 2; пряжка 16 и панель 17 с замком 18, при этом магнитопровод 1, токопровод 2 с крепёжными элементами 3, 4, 5, 6, 7 из изоляционного материала и дополнительная панель 17 размещены в чехле 8 из механически прочной ткани, защищённым чехлом 9 из термостойкого материала, а стяжные ленты 14, 15 проходят через отверстия 19, 20, 21, 22 в чехлах 8, 9; токопровод 2 выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый - второй и седьмой - восьмой ряды прямой ветви 10, а третий - четвёртый и пятый - шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви 11, - на середине устройства перекрёстно меняются рядами, причём концы первого - второго и седьмого - восьмого рядов прямой ветви 10 - занимают средние ряды обратной ветви 11, а концы третьего - четвёртого и пятого - шестого рядов обратной ветви 11 - занимают средние ряды прямой ветви 10.
Устройство для индукционного нагрева изготавливается следующим образом.
На монтажном столе из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов раскладывается прямая 10 и обратная 11 ветви токопровода 2 (фиг.1, фиг.4, фиг. 5) попарно: первый - второй и седьмой - восьмой ряды прямой ветви 10; третий - четвёртый и пятый - шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви 11 на середине устройства перекрёстно меняются, причём концы первого - второго и седьмого - восьмого рядов прямой ветви 10 - занимают средние ряды обратной ветви 11, а концы третьего - четвёртого и пятого - шестого рядов обратной ветви 11 - занимают средние ряды прямой ветви 10.
Место перехода прямой ветви 10 в обратную ветвь 11 закрепляется крепёжным элементом - панелью 3 из изоляционного материала (например, из стеклотекстолита) (фиг. 1, фиг. 3) с помощью х/б ниток («Особые», 2с, чёрные, матовые КОС ГОСТ 6309-80). По всей длине прямая 10 и обратная 11 ветви токопровода 2 равномерно закрепляются с помощью ниток х/б крепёжными элементами - планками 5 из изоляционного материала (например, из стеклотекстолита). Кроме того, на расстоянии, равном длине промежутка между планками 5, от панели 3 и непосредственно у выводов устройства индукционного нагрева, прямая 10 и обратная 11 ветви токопровода 2 закрепляются специальными крепёжными элементами 4, 6, 7 из изоляционного материала (например, стеклотекстолита) (фиг. 1). Крепёжные элементы 6, 7 крепятся также к плате 17 замка 18, которые изготавливаются из изоляционного материала (например, стеклотекстолита).
Между панелью 3, крепёжным элементом 6 и планками 5 равномерно закрепляются полуовальные сердечники 1 магнитопровода 1 из ленты аморфных сплавов (фиг. 1), которые максимально приближены к поверхности нагреваемого объекта. Закрепляются полуовальные сердечники 1 с помощью киперной ленты, обмазанной, например, герметиком. Максимальное приближение сердечников 1 к поверхности нагреваемого объекта достигается тем, что радиус закрепления полуовального сердечника 1 равен диаметру гибкого медного изолированного провода токопровода 2.
Следует особенно подчеркнуть, что длина прямой 10 и обратной 11 ветвей токопровода 2, диаметр гибкого изолированного провода токопровода 2, количество сердечников 1 магнитопровода, число планок 5, расстояние между крепёжными элементами 3, 4, 5, 6 и сердечниками 1 магнитопровода 1, - зависят от диаметра и толщины нагреваемого объекта и условия обеспечения его гибкости.
Концы прямой 10 и обратной 11 ветвей токопровода 2 припаиваются к байонетным соединителям 12, 13 (например, типа СКР-51), с помощью которых устройство индукционного нагрева подключается к элементам индукционной установки (к компенсирующей батарее конденсаторов и высокочастотному источнику питания).
Получившаяся полоса устройства для индукционного нагрева размещается в чехле 8 из механически прочной ткани (например, в брезентовом чехле), поверх которого надевается чехол 9 из термостойкого материала (например, из кремнезёмной ткани) (фиг. 1, фиг. 2). Чехол 8 защищает устройство от механических истираний, а чехол 9 - от температуры нагреваемого объекта (например, от нагреваемой трубы).
Для закрепления самого устройства для индукционного нагрева на нагреваемом объекте (например, на трубе) используются стяжные ленты 14, 15, пряжка 16 и панель 17 с замком 18 (фиг. 1, фиг. 2). При этом стяжные ленты 14, 15 проходят через пазы в крепёжных элементах 4, 6 (фиг. 1, фиг 2) и через отверстия 19, 20, 21, 22 чехлов 8, 9 (фиг.2). Стяжные ленты 14, 15, со стороны панели 3, закрепляются с помощью пряжки 16 (фиг.2), а со стороны байонетных соединителей 12, 13 - замком 18.
Благодаря тому, что в устройстве для индукционного нагрева токопровод, выполненный из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, которые попарно: первый - второй и седьмой - восьмой ряды прямой ветви, а третий - четвёртый и пятый - шестой ряды, расположенные по краям обратной ветви, - на середине устройства перекрёстно меняются рядами, при этом концы первого - второго и седьмого - восьмого рядов прямой ветви - занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего - четвёртого и пятого - шестого рядов обратной ветви - занимают средние ряды прямой ветви, удаётся выровнить действие эффекта близости и наряду с равными омическими сопротивлениями проводов, выровнить их активные сопротивления, исключив перегрев, а значит значительно повысить надёжность работы устройства для индукционного нагрева.
Устройство для индукционного нагрева работает следующим образом.
На состыкованные трубы, подлежащие нагреву (фиг. 6), симметрично, относительно стыка, накладывается устройство для индукционного нагрева, и оборачивают его вокруг трубы. Место стыковки концов устройства на трубе выбирают в верхней её части (фиг. 6). Концы стяжных лент 14, 15 продевают в отверстие застёжки замка 18 (фиг. 2, фиг. 6). Ленты 14, 15 натягивают до плотного прилегания устройства для индукционного нагрева к поверхности трубы, застёжка замка 18 застёгивается, фиксируя ленты 14, 15.
На фиг. 7 показана индукционная установка для предварительного (перед сваркой) нагрева стыков стальных труб до заданной технологическим процессом температуры.
Выводы устройства для индукционного нагрева 1, подготовленного для нагрева стыков труб 2 (фиг. 7), подключаются к выходу нагрузочного поста - компенсирующей батареи конденсаторов 3, вход которого соединён с выходом высокочастотного источника питания 4 (например, к полупроводниковому преобразователю частоты).
Компенсирующая батарея конденсаторов 3 образует с устройством для индукционного нагрева 1 колебательный контур. Компенсирующая батарея конденсаторов 3 предназначена для компенсации индуктивности устройства для индукционного нагрева 1.
Если в качестве источника высокочастотного питания используется полупроводниковый преобразователь частоты, то при выходной частоте преобразователя, близкой к частоте резонанса этого контура (1-3), его коэффициент мощности будет иметь максимальное значение - соответственно выходная мощность преобразователя 4 и КПД всей индукционной установки будут максимальными. Регулирование мощности в таких установках осуществляется за счёт расстройки колебательного контура (1-3) изменением выходной частоты преобразователя 4 вниз от резонансной.
При включении преобразователя 4 по токопроводу 2 начинает протекать ток высокой частоты, создавая намагничивающую силу, под действием которой в магнитопроводе 1 наводится переменный магнитный поток, который проходит по цепи: магнитопроводе 1 - нагреваемые трубы 2. Под действием переменного магнитного потока в трубах 2 наводятся вихревые токи, разогревая эти трубы.
Таким образом, используя предлагаемое устройство для индукционного нагрева для предварительного (перед сваркой) нагрева стыков труб до температуры заданной технологическими требованиями, удаётся значительно повысить надёжность работы и облегчить условия эксплуатацию, так как достаточно наложить его на место стыка труб, затянуть стяжные ленты, защёлкнуть замок и устройство готово к работе, исключая перегрев самого устройства. Важно отметить, что с помощью предлагаемого устройства производят предварительный нагрев стыков и прилегающих участков обеих свариваемых труб, не применяя при этом водяного охлаждения самого устройства.
Предлагаемое техническое решение может быть использовано также для нагрева труб перед их изолированием, а также при строительстве и ремонте трубопроводов. Предполагается, что данное устройство может найти самое широкое применение при нагреве изделий плоской формы.
На базе предлагаемого устройства для индукционного нагрева в ООО НПП «Курай» разработана и изготовлена индукционная установка для предварительного (перед сваркой) нагрева стальных труб диаметром 820 мм, 1020 мм, 1220 мм, 1420 мм с шириной нагреваемой зоны 160 мм, до температуры 200°С. В качестве источника высокочастотного питания использован полупроводниковый преобразователь частоты мощностью 20 кВт частотой 10 кГц.
Установка прошла успешные испытания в полевых условиях зимой и летом.
Устройство для индукционного нагрева металлических изделий, содержащее магнитопровод, расположенный внутри магнитопровода токопровод, выполненный из гибкого медного изолированного провода в виде плоской полосы с прямой и обратной ветвями с байонетными соединителями и равномерно закрепленными по всей длине ветвей полуовальными сердечниками магнитопровода в виде ленты из аморфных сплавов, которые максимально приближены к поверхности нагреваемого изделия, крепёжные элементы для закрепления токопровода по всей длине, стяжные ленты, проходящие через крепёжные элементы над прямой и обратной ветвями токопровода для закрепления самого устройства для индукционного нагрева на нагреваемом изделии, пряжку и панель с замком, термоизоляцию в виде чехла из механически прочной ткани, защищенного чехлом из термостойкого материала, в котором размещены магнитопровод, токопровод с крепёжными элементами и панель, а стяжные ленты проходят через отверстия, выполненные в чехлах, отличающееся тем, что токопровод выполнен из восьми равных по длине гибких медных изолированных проводов, при этом попарно: первый-второй и седьмой-восьмой ряды расположены по краям прямой ветви, а третий-четвёртый и пятый-шестой ряды расположены по краям обратной ветви, которые на середине устройства расположены перекрёстно, причём концы первого-второго и седьмого-восьмого рядов прямой ветви занимают средние ряды обратной ветви, а концы третьего-четвёртого и пятого-шестого рядов обратной ветви занимают средние ряды прямой ветви.
