Электрический парогенератор
ELECTRIC STEAM GENERATOR

Изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и для создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкостей, например, в системах отопления и горячего пароводоснабжения производственных и жилых объектов, а также в других областях, где требуется нагрев и испарение текучих сред.
На данный момент из уровня техники известен электрический парогенератор, включающий электрический однофазный трансформатор, имеющий наборный металлический сердечник, предназначенный для создания замкнутого магнитного поля, первичную обмотку, расположенную на сердечнике и электрически изолированную от него, трубчатую вторичную обмотку, расположенную изолированно в магнитном поле. Этот электрический парогенератор включает также перемычку, соединенную наружно с витками трубчатой вторичной обмотки и предназначенную для создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки. Вместе с тем электрический парогенератор содержит необходимые средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки (US 1,999,446). Но описанный электрический парогенератор не позволяет вырабатывать достаточное количество тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар.
Задача, которую поставил перед собой разработчик нового электрического парогенератора, состояла в создании такого парогенератора, который позволил бы увеличить производительность пара при одновременном снижении металлоемкости и габаритных размеров парогенератора. Техническим результатом, достигнутым в процессе решения поставленной перед разработчиком задачи, явилась возможность увеличить выработку тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в электрическом парогенераторе, включающем электрические трансформаторы, имеющие наборные металлические сердечники, предназначенные для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные на сердечниках и электрически изолированных от них, общую трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стойки наборных металлических сердечников трансформаторов, межтрубные, соединяющие ближайшие точки, и надтрубные, соединяющие удаленные точки, перемычки поверхностей общей вторичной трубной обмотки в плоскости, перпендикулярной ее оси, а также средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость общей вторичной трубчатой обмотки, вторичная трубчатая обмотка разделена на участки, охватывающие каждую стойку наборных металлических сердечников трансформаторов, электрическими межтрубными и надтрубными перемычками и представляющие собой независимые короткозамкнутые электромагнитные контуры, а трансформаторы выполнены многофазными. Вместе с тем трансформаторы выполнены трехфазными. Кроме того, общая вторичная трубчатая обмотка состоит из пакета параллельно связанных труб. Вместе с тем участки, представляющие собой электромагнитные контуры, общей вторичной трубчатой обмотки выполнены разной электрической проводимости. Кроме того, трубы участков, представляющих собой электромагнитные контуры, общей вторичной трубчатой обмотки выполнены разных диаметров. Вместе с тем на каждом участке, представляющем собой электромагнитные контуры, установлены датчики температуры. Также надтрубные перемычки изготовлены в виде металлических полуколец. Вместе с тем надтрубные перемычки, изготовленные в виде металлических полуколец, выполнены шириной от одной пятой до четверти диаметра соединяемых труб. Помимо прочего надтрубные перемычки изготовлены в виде металлических дуг. Вместе с тем надтрубные перемычки изготовлены в виде металлических скоб. Помимо прочего межтрубные перемычки изготовлены в виде металлических сфер. Вместе с тем межтрубные перемычки изготовлены в виде металлических полых цилиндров. Помимо прочего межтрубные перемычки изготовлены в виде металлических сплошных цилиндров.
Доказательства возможности осуществления нового электрического парогенератора с реализацией указанного назначения приводятся ниже на конкретном примере электрического парогенератора. Этот характерный пример реализации конкретного электрического парогенератора согласно предлагаемому изобретению ни в коей мере не ограничивает объем его правовой защиты. В этом примере дана лишь конкретная иллюстрация нового электрического парогенератора.
Изобретение поясняется графически, где:
на фиг. 1 показан общий вид трехфазного электрического парогенератора (аксонометрия);
на фиг. 2 - трубчатая вторичная обмотка (аксонометрия);
на фиг. 3 - сечение А-А фиг. 2.
В данном конкретном примере электрический парогенератор состоит из двух трехфазных трансформаторов 1, которые включают наборные металлические сердечники 2, имеющие горизонтальную и вертикальную части. Вертикальная часть металлических сердечников 2 сконструирована в виде стоек 3. На стойках 3 металлических сердечников 2 этих трехфазных трансформаторов расположены изолированные от них первичные обмотки 4. Общая для названных двух трехфазных трансформаторов 1 вторичная трубчатая обмотка 5 выполнена из сплошной медной трубы и имеет подводящий 6 и отводящий 7 патрубки. Общая вторичная трубчатая обмотка 5 электрического парогенератора изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает все стойки 3 наборных металлических сердечников 2 обоих трансформаторов 1 в виде змеевика. Вместе с тем общая вторичная трубчатая обмотка 5 снабжена датчиками температуры 8 и электрическими перемычками: надтрубными 9 и межтрубными 10. Надтрубные 9 электрические перемычки соединяют наиболее удаленные точки, а межтрубные 10 соединяют ближайшие точки поверхностей общей вторичной трубной обмотки 5 в плоскости, перпендикулярной ее оси. Надтрубные 9 электрические перемычки изготовлены в виде, например, металлических дуг, полуколец или скоб, а межтрубные 10 в виде, например, металлических сфер или имеющих форму цилиндров, сплошных или полых. Межтрубные 10 электрические перемычки в виде металлических сфер предназначены для точечного контакта с замыкаемыми трубами, а в виде имеющих форму сплошных или полых цилиндров для линейчатого контакта между трубами. Как показали экспериментальные исследования, такой способ замыкания общей вторичной трубчатой обмотки 5 позволяет наводить индукционные токи большой величины от 3900 А и выше. Токи такой величины необходимы для получения пара для промышленных целей в количестве от 100 кг в час до 2-х тонн в час. В этом случае в качестве материала вторичной трубчатой обмотки 5 необходимо использовать материал максимальной электропроводности, например медь и ее сплавы. В данном конкретном случае конструктивно надтрубная 9 перемычка выполнена в виде полукольца шириной от одной пятой до четверти диаметра соединяемых труб. Это наиболее оптимальные размеры для конкретного примера. Эксперименты показали, что только такой способ замыкания общей вторичной трубчатой обмотки 5 позволяет наводить индукционные токи такой величины, которые необходимы для создания тока плотностью свыше 60 А/мм. И в этом случае возможно получение в камере парообразования пара в количестве, необходимом для промышленных целей. В частности, общая вторичная трубчатая обмотка 5 может состоять из участков разной электрической проводимости и диаметров. Благодаря надтрубным 9 и межтрубным 10 перемычкам общая вторичная трубчатая обмотка 5 электрически разделена на участки, представляющие собой независимые короткозамкнутые электромагнитные контуры, которые охватывают стойки 3 наборных металлических сердечников 2 и которые создают магнитную индукцию. Разная электрическая проводимость и разные диаметры на отдельных участках общей вторичной трубчатой обмотки 5 требуются для управления и регулировки выработки необходимого количества тепловой энергии, предназначенной для нагрева воды и превращения ее в пар. Независимые короткозамкнутые электромагнитные контуры позволяют резко увеличить количество получаемой тепловой энергии.
Таким образом, каждый участок общей вторичной трубчатой обмотки 5, охватывающий стойки 3 наборных металлических сердечников 2 трехфазных трансформаторов 1 от подводящего до отводящего патрубков, разделен на контуры электрическими перемычками 9 и 10. Благодаря этому, а также благодаря применению трехфазных трансформаторов внутренняя полость вторичной трубчатой обмотки 5 от подводящего 6 до отводящего 7 патрубков будет представлять собой собственно камеру парообразования. В наборных металлических сердечниках 2 каждого контура индуцируется магнитное поле одинакового направления. Подбором электрических параметров короткозамкнутых контуров, влияющих на нагрев трубы, во внутренней полости вторичной трубчатой обмотки 5, относящейся к каждому такому контуру, обеспечивают термодинамические условия, соответствующие фазам перехода воды в парообразное состояние в так называемом прямоточном электрическом парогенераторе. Для повышения теплоаккумулирующей способности камеры парообразования вторичная трубчатая обмотка 5 может состоять из пакета параллельно связанных труб, уложенных описанным выше образом.
Работает описанный электрический парогенератор следующим образом. Вначале обеспечивают движение воды путем подачи ее под давлением через подводящий патрубок 6 во внутреннюю полость общей вторичной трубчатой обмотки 5. Затем первичные обмотки 4 трехфазных трансформаторов 1 подключают к сети переменного тока. В результате этого первичные обмотки 4 индуцируют в наборных металлических сердечниках 2 переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока участки общей вторичной трубчатой обмотки 5, которые ограничены короткозамкнутыми электрическими надтрубными 9 и межтрубными 10 перемычками, становятся независимыми короткозамкнутыми электромагнитными контурами, которые охватывают магнитный поток в сердечниках 2. Электрические перемычки в виде, например, металлических полуколец 9 и металлических сфер 10 создают безопасное короткое замыкание в каждом независимом контуре витков общей вторичной трубчатой обмотки 5, способное проводить переменный ток большой величины. В общей вторичной трубчатой обмотке 5 возникает электрический ток величиной от 3900 А и выше, достаточной для нагрева воды и превращения ее в пар. Электрический ток такой величиной необходим для эффективной работы парогенератора и выработки им промышленно необходимого количества пара. Под действием электрического тока такой величины происходит нагрев независимых короткозамкнутых электромагнитных контуров общей вторичной трубчатой обмотки 5. В данном случае это дает возможность как бы удлинить общую вторичную трубчатую обмотку 5. Вместе с тем трехфазные трансформаторы при прочих одинаковых показателях равномерно нагружают электрическую сеть и имеют провода меньшего сечения по сравнению с однофазными. Кроме этого трехфазные трансформаторы имеют первичные обмотки меньших размеров по сравнению с первичными обмотками однофазных трансформаторов такой же мощности. А удлинение общей вторичной трубчатой обмотки 5 дает увеличение ее теплоаккумулирующей способности. И как следствие дает увеличение площади теплообмена внутренней полости за счет удлинения вторичной трубчатой обмотки 5 и приводит к уменьшению количества осадков в пароводяном тракте вторичной трубчатой обмотки 5. Одновременно тепловая энергия переходит к воде, движущейся во внутренней полости общей вторичной трубчатой обмотки 5. Здесь же происходит испарение воды и полученный пар выходит через отводящий патрубок 7.
Дополнительные доказательства того, что задача, которую поставили перед собой разработчики нового электрического парогенератора, решена, а именно, что новый электрический парогенератор позволяет увеличить производительность пара при одновременном снижении его габаритных размеров и металлоемкости, приводятся ниже на конкретном эксперименте, проведенном авторами изобретения. Кроме того, нижеприведенный эксперимент доказывает, что технический результат в процессе решения поставленной перед разработчиками задачи достигнут, а именно, что увеличивается выработка тепловой энергии в единицу времени для нагрева воды и преобразования ее в пар. Были разработаны и испытаны два электрических парогенератора, оба состоящие из двух трансформаторов с общей вторичной трубчатой обмоткой из медной трубы диаметром 22 мм, охватывающей все стойки обоих трансформаторов. Оба электрические парогенераторы потребляли от сети одинаковый ток 130 А с одинаковым напряжением в 380 В. Первый электрический парогенератор имел в своей конструкции однофазный трансформатор, а другой - трехфазный, согласно с технической сущностью, отображенной в формуле изобретения. Первый электрический парогенератор имел мощность 50 КВт и его габаритные размеры составляли в мм. 572×490×375, причем его первичные катушки были из медной шины S32. А второй электрический парогенератор согласно технической сущности, отображенной в формуле изобретения, имел мощность 65 КВт. Его габаритные размеры составляли в мм 600×426×300, а первичные катушки были из шины S14. Давление воды на входном патрубке у обоих электрических парогенераторов составляло 15 бар, а температура входной воды 20°С. Результаты испытаний показали, что первый электрический парогенератор мощностью 50 КВт произвел 200 кг пара/час с коэффициентом сухости пара 30%, а второй парогенератор мощностью 65 КВт произвел 250 кг пара/час с коэф. сухости 40%, при этом второй электрический парогенератор занимает объем, в 1,37 раза меньше, чем первый. При этом удельная мощность второго электрического парогенератора по сравнению с электрическим парогенератором возросла в 1,78 раза. Из этих экспериментальных исследований видны преимущества нового электрического парогенератора.