ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC STEAM GENERATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу и устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена. Оно может быть использовано при нагреве жидкостей, например, в системах отопления и горячего паро- и водоснабжения производственных и жилых объектов, а также в других областях применения, где требуется нагрев и испарение текучих сред.
Уровень техники
Известен электрический парогенератор, принятый нами за прототип, включающий электрический 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 в магнитном поле изолированно, перемычку, соединенную наружно с витками трубчатой вторичной обмотки с целью создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки, и необходимые средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки. (US 1999446)
Известное устройство относится к высокоэффективным устройствам преобразования электрической энергии в тепловую в связи с наличием прямого контакта между нагреваемой жидкостью и нагревательной поверхностью во внутренней полости вторичной короткозамкнутой трубчатой обмотки. Для получения пара в известном устройстве требуется либо достижение температуры трубчатой обмотки свыше 212 град., либо предварительный нагрев питательной воды перед подачей ее в трубчатую обмотку. Последнее осуществляется введением дополнительной трубчатой короткозамкнутой вторичной обмотки, предназначенной для предварительного нагрева жидкости перед подачей ее в основную короткозамкнутую трубчатую обмотку для испарения. Количество вырабатываемого таким устройством пара напрямую зависит от скорости подачи (расхода) жидкости. В случае превышения расчетного расхода жидкости через устройство пар перестает вырабатываться, т.к. не хватает энергии на испарение, а при уменьшении расхода жидкости ниже расчетного трубчатая вторичная обмотка плохо охлаждается и перегревается до аварийной температуры. Несмотря на высокий кпд известное устройство в своем конструктивном исполнении слишком чувствительно к параметрам управления - величине тока, напряжения, температуре входной питательной воды, расходу воды, являющимся производными каждого конкретного конструктивного исполнения. Под каждый расход воды необходимо рассчитать температуру нагрева вторичной обмотки, рабочий ток, напряжение, диаметр трубы, материал трубы. Изменение в ходе работы хотя бы одного из параметров приводит к ухудшению качества пара, генерируемого устройством, или к его вынужденной аварийной остановке. Управление величиной тока или напряжения возможно в очень узких пределах, т.к. количество выделяемой теплоты в устройстве пропорционально квадрату тока или напряжения, изменения которых очень быстро приводят к потере функциональности устройства.
Известное устройство относится к классу прямоточных парогенераторов, где движение жидкости и пара по трубам осуществляется способом принудительного напора с помощью питательного насоса, который обеспечивает преодоление полного сопротивления движению парожидкой среды по трубам и заданное давление пара на выходе. Общим недостатком этого способа как в случае жаротрубного нагрева, так и электрического нагрева труб является их низкая теплоаккумулирующая способность (см. стр. 266 в книге А.П. Ковалев. Парогенераторы: Учебник для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 386 с., ил.). Данный недостаток особенно проявляется в известном устройстве, принятом за прототип, поскольку длина трубчатой вторичной обмотки связана с ее электрическим сопротивлением и часто не обладает достаточной площадью теплообмена из-за дефицита длины. Поэтому надежная реализация прямоточного способа получения пара с помощью известного устройства, принятого за прототип, возможна только путем внесения изменений в конструкцию, учитывающих характер движения жидкости в трубе прямоточного парогенератора и превращения жидкости в ходе движения по трубе в пар.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание надежного индукционного электрического парогенератора.
Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении надежности работы индукционного электрического парогенератора.
Технический результат заявленного изобретения достигается за счет того, что электрический парогенератор включает один или несколько электрических трансформаторов, имеющих наборные металлические сердечники, первичные обмотки, расположенные на сердечниках и электрически изолированные от них,
общую трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стойки наборных металлических сердечников трансформаторов,
перемычку, расположенную на общей трубчатой вторичной обмотке,
и средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки,
при этом общая трубчатая вторичная обмотка выполнена из соединенных последовательно нагревательной, испарительной и перегревательной металлических секций, отличающихся друг от друга величиной сопротивления электрическому току так, что при прохождении электрического тока в каждой секции выделяется тепловая мощность, соответствующая фазе теплового преобразования воды в пар при движении воды во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки,
а перемычка выполнена из двух частей, соединяющих наружно витки общей металлической трубчатой вторичной обмотки в плоскости, перпендикулярной виткам, с возможностью создания короткого замыкания витков общей трубчатой вторичной обмотки в точках пересечения окружности наружной поверхности общей трубчатой вторичной обмотки с их диаметрами, параллельными направлению суммарного вектора магнитной индукции в наборных металлических сердечниках так, чтобы близлежащие точки были соединены между собой электрически одной частью составной перемычки, а удаленные точки соединены между собой электрически другой частью составной перемычки.
В частном случае реализации заявленного технического решения на наружной поверхности вторичной трубчатой обмотки в зоне каждой упомянутой секции общей трубчатой вторичной обмотки установлены датчики контроля температуры.
В частном случае реализации заявленного технического решения составные части перемычки выполнены в форме дуги кольца.
Из практики создания устройств, реализующих прямоточный способ получения пара, известно, что активная длина нагрева нагревательной трубы прямоточного парогенератора условно разделяется на три последовательные части: водяную, пароводяную и паровую. Положение границ указанных участков зависит от количества подводимой энергии и расхода питательной воды (паропроизводительности). При увеличении количества подводимой энергии или уменьшении расхода питательной воды возможна аварийная ситуация в виде пережога нагревательной трубы. Чем меньше конструкция устройства чувствительна к смещению границ последовательного нагрева, тем надежнее работает парогенератор и дешевле его система управления.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг. 1 - общий вид электрического парогенератора;
Фиг. 2 - трубчатая вторичная обмотка;
Фиг. 3 - перемычка для создания короткого замыкания трубчатой вторичной обмотки.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:
1 - металлический сердечник; 2 - первичная обмотка; 3 - вторичная трубчатая обмотка; 4 - перемычка; 5 - перемычка; 6 - отводящий патрубок; 7 - нагревательная секция вторичной трубчатой обмотки; 8 - испарительная секция вторичной трубчатой обмотки; 9 - перегревательная секция вторичной трубчатой обмотки; 10 - датчик контроля температуры; 11 - опора; 12- дозирующий клапан; 13 - муфта; 14 - муфта.
Раскрытие изобретения
Электрический парогенератор состоит из наборных металлических сердечников (1), предназначенных для создания замкнутого магнитного поля, на которых расположены изолированные от металлических сердечников (1) первичные обмотки (2).
Общая вторичная трубчатая обмотка (3) установлена изолированно в магнитном поле на опорах (11), свернута так, что охватывает все стойки наборных металлических сердечников (1), и снабжена перемычкой, выполненной из двух частей - металлической дуги кольца (4), соединенной наружно с витками вторичной трубчатой обмотки (3), и дуги кольца (5), соединенной наружно с витками вторичной трубчатой обмотки (3), все соединения находятся на одной линии в плоскости, перпендикулярной оси труб вторичной трубчатой обмотки (3), вместе обе части перемычки (4) и (5) создают безопасное короткое замыкание витков вторичной трубчатой обмотки (3), способное проводить переменный ток большой величины.
Перемычка, выполненная из двух частей, соединяющих наружно витки общей металлической трубчатой вторичной обмотки в плоскости, перпендикулярной виткам, с целью создания короткого замыкания витков трубчатой вторичной обмотки в точках пересечения окружности наружной поверхности трубчатой вторичной обмотки с их диаметрами, параллельными направлению суммарного вектора магнитной индукции в наборных металлических сердечниках так, чтобы близлежащие точки были соединены между собой электрически одной частью составной перемычки в форме дуги кольца, а удаленные точки соединены между собой электрически другой частью составной перемычки также в форме дуги кольца.
Вторичная трубчатая обмотка (3) состоит из нагревательной секции (7), испарительной секции (8) и перегревательной секции (9). Секции (7, 8, 9) вторичной трубчатой обмотки соединены последовательно муфтами (13) и (14). Муфты (13) и (14) могут быть разъемными, что создает дополнительное удобство для обслуживания вторичной трубчатой обмотки (3) в ходе эксплуатации. Секции (7, 8, 9) вторичной трубчатой обмотки могут иметь одинаковый или различный диаметр внутренней полости и разное электрическое сопротивление.
Месторасположение границ между нагревательным (7), испарительным (8) и перегревательным (9) участками выбрано так, чтобы тепловые параметры в пароводяном прямоточном тракте трубчатой вторичной обмотки (3) максимально соответствовали процессу преобразования жидкости в пар при данной мощности устройства и длине трубчатой вторичной обмотки (3), что позволяет минимизировать недостатки, связанные с ее низкой теплоаккумулирующей способностью, и добиться стабильной работы устройства в целом
Электрическое сопротивление секций (7, 8, 9) вторичной трубчатой обмотки подбирается расчетом в зависимости от требуемой температуры нагрева секции. Например, во избежание пережога секции вторичной трубчатой обмотки (3) на выходе пара требуется несколько снизить температуру нагрева трубы, поэтому подбирается более низкое электрическое сопротивление третьей секции (9).
Средства для принудительной подачи жидкости через внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки включают в себя установленный на входе во внутреннюю полость вторичной трубчатой обмотки (3) дозирующий клапан (12), на выходе из внутренней полости вторичной трубчатой обмотки (3) установлен отводящий патрубок (6). При этом на наружной поверхности вторичной трубчатой обмотки (3) в зоне секций (7), (8) и (9) установлены датчики контроля температуры (10).
Также эффект повышения устойчивости и надежности работы парогенератора усиливается за счет увеличения количества трансформаторов в устройстве, например два трансформатора, как показано на Фиг. 2, что ведет к удлинению общей трубчатой вторичной обмотки (3), или путем создания на указанном принципе секционирования общей вторичной обмотки (3) из нескольких витков. В обоих случаях удлинение общей вторичной трубчатой обмотки (3) дает увеличение ее теплоаккумулирующей способности. Как следствие увеличение площади теплообмена внутренней полости за счет удлинения вторичной трубчатой обмотки (3) приводит к уменьшению количества осадков в пароводяном тракте вторичной трубчатой обмотки (3). Это создает возможность повышать эффективность устройства за счет увеличения мощности, действующей в обмотке, ток которой замыкается с помощью перемычки - металлической дуги кольца (4), соединенной наружно с витками вторичной трубчатой обмотки (3) (Фиг. 3), и перемычки - металлической дуги кольца (5), соединенной наружно с витками вторичной трубчатой обмотки (3) в одной плоскости в точках пересечения наружной поверхности труб с их диаметром, параллельным вектору магнитной индукции. Датчики температуры (10), установленные на наружной поверхности вторичной трубчатой обмотки (3), обеспечивают визуальный и иной контроль за ходом рабочего процесса устройства.
Устройство работает следующим образом.
Сначала с помощью дозирующего клапана (12) обеспечивают движение жидкости через внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки (3). Затем первичные обмотки (2) подключают к сети переменного тока, и они индуцируют в наборных металлических сердечниках (1) переменный магнитный поток, под действием которого в общей вторичной трубчатой обмотке (3), охватывающей магнитный поток в сердечниках (1), возникает электрический ток большой величины, и трубчатая вторичная обмотка (3) нагревается, при этом в секции (7) трубчатой вторичной обмотки жидкость доводится до кипения, в секции (8) - испаряется и становится пароводяной смесью, а в секции (9) полученный пар нагревается до заданной температуры и поступает в отводящий патрубок (6) потребителю.
Конкретное исполнение устройства.
Были разработаны и испытаны два индукционных парогенератора, оба состоящие из двух трансформаторов с общей вторичной трубчатой обмоткой из медной трубы диаметром 22 мм, охватывающей все стойки обоих трансформаторов, как показано на Фиг. 1. Первое устройство имело мощность 25 кВт, второе - 50 кВт. Результаты испытаний показали, что индукционный парогенератор в соответствии с настоящим изобретением мощностью 25 кВт производит 100 кг пара/час с коэффициентом сухости пара 30%, а парогенератор мощностью 50 кВт дает 220 кг пара/час с коэф. сухости 40%.