Система подогрева для конструкций - RU2120201C1
Код документа: RU2120201C1
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к устройствам, использующим удельное сопротивление электрически проводящих элементов конструкции, присущее им для выработки тепла внутри конструкции для предохранения их от потери работоспособности или повреждения из-за холодных и/или морозных условий окружающей среды.
Настоящее устройство представляет собой устройство для генерации тепла в электрически проводящих элементах конструкции, содержащее средство для создания переменного тока через указанный элемент, причем ток должен быть достаточным по отношению к удельному сопротивлению указанного элемента для генерации желаемого количества тепла. Желаемое количество тепла должно быть таким, чтобы предотвратить повреждение или оледенение при данных обстоятельствах. Частота тока предпочтительно является высокой, достаточной, чтобы заставить большинство носителей тока перемещаться по поверхности или вблизи поверхности указанного элемента для более эффективного нагревания поверхности. Переменный ток может быть индуцирован, а средство для индуцирования тока может быть источником переменного напряжения, которое преобразуется в переменный ток, переменное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора, а элемент или несколько элементов включаются в контур электрического тока вторичной обмотки трансформатора.
В основу настоящего изобретения положена задача создания средства для генерирования тепла внутри одного или более электрически проводящих элементов конструкции и посредством этого нагревания конструкции без использования любых специально предназначенных для нагрева элементов, таких как нагревающие спирали и т.п.
Другие задачи, решаемые настоящим изобретением, будут обсуждаться ниже и/или будут понятны из рассмотрения спецификации и прилагаемой формулы изобретения.
В дальнейшем изобретение поясняется конкретными вариантами его воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых фиг. 1 изображает два варианта воплощения данного изобретения, которое применено для колес с дисковыми тормозами; фиг. 2 - приложение настоящего изобретения к колесу с тормозами в виде колодок; фиг. 3 - применение настоящего изобретения к соединению между дисковыми тормозами, прикладываемых к оси колес; фиг. 4 - применение настоящего изобретения к оси вращения дисковых тормозов, прикладываемых к оси колес; фиг. 5 - применение настоящего изобретения к блоку цилиндров двигателя, масляной камере и карбюратору; фиг. 6 - приложение настоящего изобретения к приводящему корпусу аккумулятора; фиг. 7 - приложение настоящего изобретения к трансмиссии и коробке передач транспортного средства и дифференциалу привода транспортного средства; фиг. 8, 9 и 13 - приложение настоящего изобретения к башням, имеющим проводящие элементы конструкции; фиг. 10 - приложение настоящего изобретения к платформе по добыче нефти; фиг. 11 и 14 - приложение настоящего изобретения к фальшборту корабля; фиг. 12 - приложение настоящего изобретения к каркасным элементам крыла самолета; фиг. 15-17 - приложение настоящего изобретения к трубам, например нефтяным трубопроводам.
На фиг. 1 представлен один тип дискового тормоза и два различных способа применения настоящего изобретения. Пара колес железнодорожного вагона 2 и 4 соединены осью 6. Каждое колесо имеет тормозное средство, связанное с ним, состоящее из пары противоположно расположенных фрикционных прокладок 8A и 10A, и 8B и 10B для левого и правого колес, соответственно. Фрикционные прокладки выборочно прижимаются к колесам посредством металлических "вилок" 12A и 12B. Каждая "вилка" содержит два металлических рычага 14A и 16A для левого колеса, и 14B и 16B для правого колеса со стержневым зацеплением металлической вращающейся частью 18A и 18B для прижатия фрикционных прокладок к связанным с ними колесам при помощи сжатия. Обычно один из рычагов каждой "вилки" (например, 14A и 16B соответственно) находится в фиксированном положении, в то время как другой рычаг (например, 16A и 14B соответственно) вращаются вокруг своей оси вращения посредством гидравлического домкрата 20 (обычно называемого "тормозным цилиндром") с помощью первого и второго металлических соединительных связей 22А и 24A, соответственно, для левого и 22B и 24В соответственно для правого.
Изображенный на фиг. 1 вариант воплощения настоящего изобретения содержит источник переменного напряжения 26A с двумя выводами, электрически подключенными к первичной обмотке 28A понижающего трансформатора 30A. Источник напряжения может быть одним или более генераторов, вращаемых самими колесами, генератором, вращаемым двигателем или любым источником переменного напряжения походящей мощности, причем соответствие определяется в данной спецификации. Вторичная обмотка имеет единственный электрически проводящий контур, содержащий первый проводящий провод 32, соединяющий первую связь 24A с "землей" шасси, второй проводящий провод 34, поддерживающий электрическую приводимость между первой связью и второй связью 22A, третий проводящий провод 36, поддерживающий электрическую проводимость между второй связью и нефиксированным звеном "вилки" 16A, четвертый проводящий провод 38, поддерживающий электрическую проводимость между нефиксированным звеном "вилки" и вращающей его частью 18A, и пятый проводящий провод 40, поддерживающий электрическую проводимость между вращающей частью и фиксированным звеном "вилки" 14A, которая электрически соединена с "землей" шасси. Частью вторичного проводящего контура, которая проходит сквозь внутреннюю часть сердечника трансформатора, является изображенная вторая связь 22A.
Тормозная система правого колеса (фиг. 1) нагревается слабо изменяющимся током. Источник 26B переменного напряжения соединен электрически последовательно с первичной обмоткой 28B трансформатора, имеющего сердечник 30B. Рычаги 14B и 16B "вилки" соединены электрически последовательно со связанным с ними вращающим элементом 18B аналогично тому, как это сделано для левой части. Первая и вторая металлические соединительные связи 22B и 24B электрически соединены так, как с левой стороны. Различие между левой и правой сторонами состоит в том, что связь 22B не проходит сквозь сердечник трансформатора, а проводник электрического тока 42, являющийся вторичной обмоткой трансформатора, одним концом электрически подсоединен к связи 24B, а другим концом электрически подсоединен к рычагу 16B.
Основным принципом является подача тепла к конструкциям для предотвращения потери работоспособности или повреждения из-за понижения температуры ниже нуля градусов по стоградусной шкале или обледенения. В описываемых вариантах воплощения электрическая энергия переменного тока подается на первичную обмотку понижающего трансформатора, в котором вторичная обмотка выдает большой ток и низкое напряжение в схему, составленную из конструктивных элементов или их набора, соединенных в цепь последовательно. Переменный ток предпочтительно изменяется с частотой, достаточной для генерации тепла из-за резистивных потерь близко от поверхности проводящих элементов из-за поверхностного эффекта, при котором ток вытесняется на поверхность или близко к ней.
Некоторые изменения в приложении настоящего изобретения к тормозным системам могут быть произведены в зависимости от систем связи элементов. Например, тормозные колодки могут нагреваться самостоятельно по отдельности.
Металлическая тормозная колодка 52 (фиг. 2) является частью вторичной обмотки. Другие части железнодорожного вагона могут быть нагреты в соответствии с этим принципом. Для того, чтобы иметь как можно более высокую эффективность, соединительные кабели низкого напряжения 54 и 56 должны быть по возможности короче.
Тормозная система для колес, изображенная на фиг. 3, работает по принципу дискового тормоза, но отличается от системы, изображенной на фиг. 1. Диски 60A слева и 60B справа изображают тормозные диски, фиксированные на оси 62 колес, диски находятся около соответствующих колес. Источник переменной электрической энергии 26C подает энергию в первичные обмотки 28C трансформатора, имеющего сердечник 30C. Сквозь сердечник проходит проводящий стержень 64, механически связанный и электрически подсоединенный к рычагам 66A и 66B "вилки". Ток вторичной обмотки проходит через эту связь 64, рассматриваемую в качестве сегмента, верхнюю часть "вилки" 66B, которая механически и электрически подсоединена к "земле" шасси, вторую связь 70, которая механически и электрически подсоединена к рычагам 68B и 64A, верхнюю часть 68A, через кожух гидравлического домкрата 20, верхнюю часть рычага 68A и опять через связь 64. Таким образом, и первая и вторая связи и все рычаги "вилок" прогреваются током, текущим во вторичной обмотке и индуцированным в ней первичной обмоткой трансформатора 28C.
На фиг. 4 изображена та же самая тормозная система, что и на фиг. 3, за исключением того, что имеются два приводящих ее в действие домкрата 21A и 21B. Слева и справа используются два источника электроэнергии 26D и 26E соответственно. Вторичные обмотки трансформаторов, связанные с указанными источниками электроэнергии, располагаются зеркально друг другу. Поэтому рассмотрение будет касаться только левого тормозного механизма. Вторичная обмотка трансформатора, изображенного слева, содержит сегмент в виде коленчатого изгиба 72, который механически поворачивается и электрически подсоединен к "земле" шасси. Конец такого сегмента, удаленный от домкрата, механически связан и электрически соединен с рычагом 74 "вилки", который, в свою очередь, механически и электрически соединен с опорным вращающимся кронштейном 76, который проходит сквозь сердечник трансформатора и в действительности является вторичной обмоткой трансформатора. Другой конец вращающегося кронштейна механически и электрически соединен с противоположным рычагом "вилки" 78, который, в свою очередь, механически и электрически соединен с "землей" шасси, "земля" шасси представляет собой последнее звено контура. Конструкции, изображенные на фиг. 3 и 4, не требуют никаких кабелей, если электрическое соединение может поддерживаться посредством механических связей.
На фиг. 5 изображено, как настоящее изобретение может быть использовано в качестве нагревателя блока цилиндров двигателя, нагревателя масляного бака и нагревателя карбюратора. Источник переменного напряжения 82 питает первичную обмотку 84 трансформатора, обозначенного 86. Вторичная обмотка содержит в основном один проводник 88, одним концом электрически подсоединенный к одной стороне блока цилиндров двигателя 90 посредством соединения 92. Другой конец проводника электрически подсоединен ко второй, противоположной стороне корпуса двигателя посредством соединителя 94. Блок цилиндров двигателя, обычно отливаемый из стали или из алюминия, является электропроводящим, и потому ток, индуцированный во втором проводнике 88, будет протекать от одной стороны блока цилиндров до другой, и если частота тока является достаточно высокой, то будет иметь место поверхностный эффект, эффективно увеличивая удельное сопротивление блока цилиндров двигателя. Из-за наличия удельного сопротивления будет генерироваться тепло внутри корпуса, нагревая его.
Источник 96 переменного напряжения (фиг. 5) питает первичную обмотку 98 второго трансформатора, обозначенного 100. Вторичная обмотка трансформатора является единичным проводником 102, противоположные концы которого подсоединяются к противоположным сторонам топливной камеры 104 в точках подсоединения 106 и 108. Обычно топливные камеры изготавливаются из стали или другого электропроводящего сплава и являются поэтому проводящими и имеют некоторое удельное сопротивление. Ток, индуцированный во вторичную обмотку 102, будет течь от одной стороны топливной камеры к другой и генерировать в ней тепло из-за присущего камере удельного сопротивления. И для нагревания корпуса и камеры может быть использован один трансформатор, если между ними обеспечены правильные электрические соединения.
На фиг. 5 изображен также нагреватель карбюратора, предназначенный для предотвращения конденсации влаги. Источник переменного напряжения 110 индуцирует ток в единственный проводник 112 посредством трансформатора, обозначенного 114. Концы проводника 112 подсоединены к противоположным точкам карбюратора 116. Карбюратор обычно изготавливается из литых железа, стали и алюминия, и является поэтому проводящим, и поэтому имеет удельное сопротивление, которое может быть использовано для генерации тепла описанным выше способом.
Фиг. 6 изображает применение настоящего изобретения в качестве нагревателя аккумулятора 11. В данном случае аккумулятор имеет внешний изолирующий корпус 120 и внутренний металлический корпус 122, соединенный посредством вторичной обмотки с трансформатором 123. Металлический корпус нагревается вследствие резистивных потерь, в частности в поверхностном слое, в соответствии с принципами настоящего изобретения, которые описаны выше.
Фиг. 7 изображает вариант использования настоящего изобретения для нагревания корпусов коробки передач трансмиссии 124 и дифференциала 126 посредством трансформаторов 127A и 127B, соответственно, согласно принципам настоящего изобретения. Вторичные обмотки подключаются к противоположным сторонам корпусов.
Проводящие части конструкции антенной башни 128 (фиг. 8) нагреваются посредством трансформаторов 129A и 129B в соответствии с изложенными выше принципами. На фиг. 9 изображена башня (столб) 130 линии передач, нагреваемая посредством трансформатора 131, и нефтяная вышка 132 (фиг. 10) с элементами конструкции, нагреваемыми посредством трансформаторов 133A и 133B согласно настоящему изобретению. Существует несколько различных модификаций таких конструкций, и поэтому в каждом случае способы нагрева должны быть сделаны по заказу.
Фиг. 11 изображает вариант использования настоящего изобретения для защитного нагревания фальшборта 134 лодки или корабля. Трансформаторы 135A и 135B используются для индуцирования переменного тока большой величины в соответствующих сторонах судна. Аналогичные приспособления могут быть сделаны и для надстройки корабля.
На фиг. 12 изображен один из вариантов конструкции для нагрева проводящих элементов каркаса крыльев 136A и 136B самолета посредством трансформаторов 137A и 137B соответственно. В этом случае в стойках 138A и 138B протекает ток, индуцированный прямо в них, и каждый из них вынуждает ток протекать через соединенные части конструкции.
Альтернативный вариант конструкции для нагрева антенной башни 128 изображен на фиг. 13. В отличие от конструкции, показанной на фиг. 8, используется только один трансформатор 140 для индуцирования тока в единственном проводнике 142. Проводник 142 подсоединен одним концом к вершине 144 башни, а другим концом - ко всем четырем опорам в ее основании. В варианте воплощения, показанном на фиг. 8, каждый трансформатор индуцирует ток в проводники, подсоединенные к парам опор, находящихся по диагонали друг от друга.
Конструкция, изображенная на фиг. 14, требует меньше тока, чем конструкция, показанная на фиг. 11. На одной стороне палубы 146 корабля фальшборт нагревается посредством нагрева сегмента 150 током, индуцированным в него сердечником 152 трансформатора, сегмент ограничен отверстиями 154A и 154B в фальшборте, сквозь которые проходит сердечник. Источник переменного напряжения 156 создает меняющуюся магнитную составляющую в трансформаторе, который вырезает сегмент 150 фальшборта и посредством этого индуцирует в него ток. Этот ток затем нагревает проводящий фальшборт из-за резистивных потерь, предпочтительно на поверхности фальшборта.
На противоположной стороне палубы 146 (фиг. 14) расположен второй фальшборт 158, который имеет только одно отверстие 160, сквозь которое проходит сердечник 162 трансформатора.
Трубы, например нефтепроводные, могут быть нагреты согласно настоящему изобретению (фиг. 15-17). Фиг. 15 изображает электропроводящую трубу 164, противоположные концы которой подсоединены к единственному проводнику 166. Этот проводник является вторичной обмоткой трансформатора 168, чья первичная обмотка питается от источника переменного тока 170. Труба является частью вторичной обмотки трансформатора и поэтому проводит индуцированный в ней ток. Ток, в соответствии с принципами, изложенными выше, вырабатывает тепло по длине трубы.
На фиг. 16 изображена а же труба 164, но в данной конструкции ее противоположные концы подсоединены к проводящей среде, например земле. Сердечник 172 трансформатора окружает трубу, и когда источник 174 переменного тока подключается к первичной обмотке, намотанной вокруг сердечника, то сердечник индуцирует ток в электропроводящей трубе, нагревая ее в соответствии с принципами, изложенными выше.
Труба 164 (фиг. 17) может быть частью вторичной цепи трансформатора 172, как описано выше применительно к фиг. 16, но в данном случае противоположные концы трубы подсоединены не к проводящей среде, а ко второй проводящей трубе 176, которая замыкает вторичный контур. В таком случае нагреваются обе трубы единственным трансформатором в соответствии с изложенными выше принципами.
Должно быть понятно, что трубы в вариантах воплощения, изображенных на фиг. 15-17, должны быть покрыты электроизоляционным материалом. Также должно быть понятно, что проводящей средой в варианте, показанном на фиг. 16, может быть морская вода или любая другая жидкая среда, также как и любой электропроводящей сплошной (твердой) средой.
Во время работы напряжение прикладывается к первичной обмотке трансформатора, вызывая в ней ток. При этом индуцируется ток во вторичную обмотку, в которой протекает большой ток и низкого напряжения, посредством хорошо известных трансформаторных индукционных принципов. Так как трансформатор является понижающим, то во вторичной обмотке наблюдается увеличение тока. С помощью правильного выбора количества витков первичной обмотки, материала сердечника трансформатора и уровней напряжения можно достичь увеличения тока до значений порядка сотен ампер, достаточного для генерирования тепла из-за имеющегося удельного сопротивления конструктивного элемента или элементов в цепи вторичной обмотки трансформатора предпочтительно с одним витком. Высокочастотный ток из-за резистивных потерь генерирует тепло вблизи поверхности проводящих элементов вследствие поверхностного эффекта, в соответствии с которым ток "вытесняется" на поверхность или близко к ней.
При расчете системы полное электрическое сопротивление (импеданс) цилиндрического металлического стержня вычисляется с помощью
дифференциальных уравнений Бесселя. Электрический импеданс сплошного цилиндрического стержня равен
где
α - радиус;
ω = 2πf (f - частота в Гц);
l - длина;
μ - относительная проницаемость,
ρ - удельное сопротивление;
μ = 4π•10-7
Данная формула справедлива для больших значений H • α
Для сравнения сопротивление постоянному току равно
Сплошной железный стержень теоретически анализировался и тестировался при следующих значениях: α = 0,9525 см, f = 60 Гц, l = 0,67 м, μ = 815, ρ = 0,119 • 10-6 Ом•м, что дает следующие значения:
Z = 2,399677 • 10-3 Ом;
R0 = 0,2797 • 10-3 Ом
Измеренные значения были равны
I = 250 А;
U = 0,6 В;
S = UI = 1850 ВА (комплексное значение мощности);
P = S • cosθ = 150 • 0,707 = 106 Вт.
Стержень мог поддерживаться при измеренной температуре 75oC и показывал значительную тепловую емкость.
Описанные здесь источники переменного напряжения могут быть любыми источниками переменного напряжения достаточной мощности, где термин "достаточный" определяется в данной спецификации.
Необходимо иметь гибкие соединения между любыми движущимися частями для того, чтобы обеспечить хороший электрический контакт между электрическими частями и избежать сваривания их вместе. (Предполагается, что величина тока составляет несколько сотен ампер). Чтобы оптимизировать стоимость работы, может быть использована система управления соответствующей конструкции с датчиками температуры и переключателями режимов работы таким образом, чтобы нагревание имело место только при температуре ниже точки замерзания или, если требуется, только во время чередующихся периодов. Трансформаторы также могут быть сконструированы таким образом, чтобы они имели минимальные токи утечки.
Приведенные выше описания и чертежи представлены только для иллюстрации, должно быть понятно, что изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами воплощения, а предназначено для обзора любого и общего вариантов, эквивалентных модификаций и реорганизации элементов, подпадающих под форму настоящего изобретения, которая определяется следующей ниже формулой изобретения.
Реферат
Изобретение относится к устройствам для предохранения конструкций от повреждения от холода. Электрический ток большой величины и низкого напряжения подается в замкнутый проводящий контур. Предпочтительно, чтобы ток индуцировался в контур посредством трансформатора. Контур состоит из по меньшей мере одного или последовательности проводящих элементов конструкции, которая должна быть нагрета. Величина тока является достаточной по отношению к удельному сопротивлению элементов, чтобы вызвать генерацию тепла внутри элементов. Предпочтительно, чтобы ток был переменным для прохождения его по поверхности элемента или около нее для увеличения эффективного удельного сопротивления элемента и посредством этого увеличения генерирования тепла в нем, в первую очередь около поверхности элементов. Изобретение позволяет нагревать конструкцию в любом месте без применения специальных нагревательных устройств. 16 з.п.ф-лы, 17 ил.
