Прямоточный электрический парогенератор

Полезная модель относится к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена, в частности к прямоточным электрическим парогенераторам.
Известен  электрический паронагреватель, содержащий силовой блок парообразования индукционного парогенератора со вторичной обмоткой, силовой блок пароперегрева индукционного пароперегревателя со вторичной обмоткой, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключенной к сети, вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя, расположенные на указанном ферромагнитном сердечнике, вторичные обмотки индукционного парогенератора и индукционного пароперегревателя выполнены в виде трубчатого проводника с входным и выходным патрубками для пропускания воды через внутреннюю полость внутреннего проводника, токопроводящая поверхность которого выполнена в виде замкнутой односторонней поверхности Мёбиуса (Патент RU № 171694, опубл. 13.06.2017, МПК H05B 6/10).
Недостатком указанного устройства является громоздкость конструкции и последующая из этого сложность блоков управления  т.к.  особенность потока жидкости в названном устройстве требует  помимо контроля температуры пара на выходе дополнительно осуществлять контроль температуры и давления питательной воды и пара в каждом силовом блоке. Кроме того  подключение устройства  к электросети является однофазным, что продиктовано конструкцией  трубчатой вторичной обмотки, выполненной с односторонней токопроводящей поверхностью.  С ростом  мощности однофазное подключение резко понижает КПД устройства и создает неудобства  эксплуатации электрической питающей сети.
Известен также  электрический парогенератор, включающий  плоский ферромагнитный сердечник  со стержнями, предназначенными для создания замкнутого магнитного поля в них, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, общую трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует один или несколько замкнутых витков, расположенных   в межкатушечном пространстве  поочередно друг над другом и соединенных электрически параллельно неразъемно наружно в  плоскости диаметра трубы,  параллельного вектору   магнитной индукции стержня, а на периферии в межтрубном пространстве между витками установлены один или несколько дистанционных цилиндрических элементов,    наружно соединенных с витками неразъемным соединением в плоскости диаметров труб, параллельных вектору магнитной индукции стержней.  При этом устройство может быть выполнено трёхфазным. (Патент RU № 2658658, опубл. 22.06.2018, МПК H05B 6/10).
В прямоточных парогенераторах расход питательной воды оказывает непосредственное воздействие на объем, температуру и давление пара на выходе парогенератора (см. книгу Ковалева А.П. «Парогенераторы», М., 1985, с 226). Следовательно, подача питательной воды в парогенератор может использоваться в качестве универсального параметра управления производством пара при условии, что паровая труба, в которой осуществляется преобразование воды в пар, работает стабильно, с высоким кпд и на максимальной для нее мощности нагрева.
Следует отметить, что парообразованию в индукционном парогенераторе содействует электромагнитный процесс, возбуждаемый во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки при протекании по ее цилиндрической поверхности индукционного переменного тока большой величины. При протекании переменного тока по поверхности во внутренней полости цилиндрического проводника возникает высокочастотное электромагнитное излучение с  критической длиной волны, равной удвоенному диаметру цилиндрической внутренней полости цилиндра проводника, не выходящее за пределы внутренней полости (см. книгу  Кромина Г.С. и Каткова Е.А. "Основы радиолокационной техники", часть 1, М.,1956, с 338, 346). Как было нами экспериментально установлено, это излучение в основном ответственно за ускоренную диссоциацию молекул воды за счет увеличения амплитуды их вибраций в условиях повышения температуры нагрева трубчатой вторичной обмотки индукционного парогенератора. Согласно имеющимся представлениям данное электромагнитное излучение никуда не рассеивается из внутренней полости проводника и вся его реактивная энергия в нашем случае тратится на разъединение возбужденных тепловой энергией молекул воды при ее переходе в парообразное состояние. Таким образом, максимальная эффективность процесса парообразования во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки может быть получена при условии поддержания максимально возможной интенсивности электромагнитного процесса, возбуждаемого во внутренней полости переменным током, протекающим по наружной поверхности трубчатого проводника, что ведет к повышению эффективности работы парогенератора.
Недостатком прототипа является неполная эффективность использования преимуществ индукционного способа получения пара из воды во трубчатой вторичной обмотке прямоточного электрического парогенератора.
Технической задачей предлагаемого прямоточного электрического  парогенератора является повышение эксплуатационной надежности, увеличение паропроизводительности парогенератора и расширение функциональных возможностей.
Указанная задача решается за счет того, что прямоточный электрический парогенератор включает плоский ферромагнитный сердечник  со стержнями, первичные обмотки, расположенные в виде катушек на стержнях и электрически изолированные от них, средства принудительной подачи воды во внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки, имеющей подводящий и отводящий патрубки и расположенной в магнитном поле изолированно от  первичных обмоток и охватывающую все стержни ферромагнитного сердечника так, что вокруг каждого стержня образует замкнутые витки, расположенные   в межкатушечном пространстве  поочередно друг над другом и соединенные электрически  неразъемно наружно в  плоскости диаметра трубы,  параллельного вектору   магнитной индукции стержня, а на периферии в межтрубном пространстве между витками установлены дистанционные цилиндрические элементы,    наружно соединенные с витками неразъемным соединением в плоскости диаметра труб, параллельного вектору магнитной индукции стержней, датчик температуры, установленный на участке трубы трубчатой вторичной обмотки, близком к отводящему патрубку,  датчик давления пара, расположеный на отводящем патрубке, наружную перемычку, состоящую из двух параллельных шин, расположенных перпендикулярно виткам трубчатой вторичной обмотки и электрически присоединенных к начальному и конечному виткам на расстоянии друг от друга, кратном радиусу трубы трубчатой вторичной обмотки, причем длина трубчатой вторичной обмотки кратна радиусу трубы трубчатой вторичной обмотки. Особенностью данного парогенератора является то, что  средства для принудительной подачи жидкости выполнены с возможностью осуществлять контроль количества подаваемой жидкости во внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки в зависимости от температуры поверхности трубчатой вторичной обмотки, а на отводящем патрубке установлен  механический предохранительный клапан.
Устройство поясняется чертежами, где
на фиг.1 показан общий вид электромагнитного индуктора прямоточного электрического парогенератора (аксонометрия);
на фиг.2 представлена функциональная электрогидравлическая схема прямоточного электрического парогенератора.
В данном конкретном примере прямоточный электрический парогенератор выполнен на базе одного трехфазного трансформатора с плоским ферромагнитным сердечником 1 со стержнями 2, на которых расположены первичные обмотки в виде катушек 3. Первичные обмотки в виде катушек 3 подсоединены к источнику электрического тока через посредство системы управления 4. Общая трубчатая вторичная обмотка 5 выполнена из сплошной трубы и имеет подводящий 6 и отводящий 7 патрубки. Общая трубчатая вторичная обмотка 5 изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает все стержни 2 плоского ферромагнитного сердечника 1, при этом кольца в межкатушечном пространстве, примыкающие друг к другу в плоскости диаметров трубы, параллельных вектору магнитной индукции в стержнях 2 соединены неразъемно, а в зоне наружной перемычки 8 между трубами трубчатой вторичной обмотки 5 установлены дистанционные цилиндры 9, увеличивающие механическую жесткость трубчатой вторичной обмотки 5 в зоне расположения  перемычки 8, подводящего 6 и отводящего 7 патрубков. Наружная перемычка 8 состоит из двух параллельных токоведущих шин (на фиг. не обозначены), неразъемно присоединенных к подводящему 6 и отводящему 7 патрубкам, при этом расстояние между шинами наружной перемычки 8 равно или кратно внутреннему радиусу трубы трубчатой вторичной обмотки 5. На участке трубы трубчатой вторичной обмотки 5, близком к отводящему патрубку 7, установлен датчик температуры 10, связанный информационной цепью с устройством управления 4. Средства для принудительной подачи воды в подводящий патрубок 6 парогенератора  могут включать в себя устройство управления, фильтр грубой очистки 11, электромагнитный клапан 12, связанный электрически с устройством управления 4, питательный насос 13, связанный электрически с устройством управления 4  через регулятор 14, позволяющий осуществлять автоматическое и ручное управление питательным насосом 13, обратный клапан 16 и датчик давления питательной воды 15, связанный информационно с устройством управления 4. На отводящем патрубке 7 установлен датчик давления пара 17, информационно связанный с устройством управления 4, и механический предохранительный клапан 18.
Конструкция наружной перемычки 8 в соответствии с настоящим устройством замыкает накоротко контур трубчатой вторичной обмотки 5, состоит из двух параллельных шин, отстоящих друг от друга на расстояние, кратное величине внутреннего радиуса трубы трубчатой вторичной обмотки 5 и  является резонансным колебательным контуром  электромагнитной волны, возбуждаемой электрическим током во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки 5.   Если при этом длина трубы трубчатой вторичной обмотки 5 также кратна величине ее внутреннего  радиуса (четверть критической длины волны трубчатого волновода), то по всей длине трубы устанавливается стоячая электромагнитная волна  и воздействие реактивной энергии на воду, находящейся во внутренней полости, достигает максимума, повышается устойчивость воздействия, процесс преобразования воды в пар приобретает высокую стабильность. Решение этой технической задачи открыло возможность путем использования известных технических средств управления создавать  электрические индукционные парогенераторы, надежно и устойчиво работающие в широком диапазоне управления потребительскими параметрами производимого ими пара.
Прямоточный электрический  парогенератор работает следующим образом. Парогенератор подключают к источнику воды через фильтр грубой очистки 11 с калибром фильтрации, определенным требованиями безопасной работы питательного насоса 13. Устройство управления 4 подключают к электрической сети переменного тока, энергия которой будет преобразовываться парогенератором в эквивалентное количество тепловой энергии пара. Устройство управления 4 содержит соответствующие известные в технике органы управления, с помощью которых можно произвести  рабочий пуск и останов парогенератора, алгоритмическое управление, ввод параметров алгоритмического управления и аварийный останов. При поступлении команды "пуск" открывается электромагнитный клапан 12 и включается питательный насос 13, который подает воду под давлением через обратный клапан 16 в подводящий  патрубок 6 трубчатой вторичной обмотки 5. Питательный насос 13 включается в номинальном режиме подачи воды, установленным заранее вручную с помощью регулятора 14. Одновременно с помощью устройства управления 4 к источнику переменного электрического тока подключаются катушки 3 первичной обмотки, расположенные на стержнях 2  ферромагнитного сердечника 1. В результате этого катушки 3 первичной обмотки индуцируют в стержнях 2 переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока в короткозамкнутых вокруг каждого стержня 2 витках трубчатой вторичной обмотки 5 индуцируется сильный ток, замыкание накоротко которого с помощью наружной перемычки 8 приводит к интенсивному нагреву трубчатой вторичной обмотки 5 и возбуждению в ее внутренней полости электромагнитных волн. Тепло от нагрева трубчатой вторичной обмотки 5 переходит к воде, движущейся по внутренней полости трубчатой вторичной обмотки 5 под давлением питательного насоса 13, а электромагнитное излучение увеличивает амплитуду колебаний молекул воды и способствует тем самым разъединению водородных связей молекул и переходу воды из жидкого в парообразное состояние под действием тепловой энергии. Резонансные свойства наружной перемычки 8 поддерживают максимальный уровень электромагнитного излучения во внутренней полости. Вода, попадающая во внутреннюю полость трубчатой вторичной обмотки 5 испаряется, насыщенный пар выходит через отводящий патрубок 7, его давление контролируется датчиком давления пара 17. Температура насыщенного пара соответствует его давлению и контролируется датчиком температуры 10. Сигналы датчика давления питательной воды 15, датчика давления пара 17 и датчика температуры 10  являются информационными сигналами микропроцессорного устройства управления 4, на основе которых в соответствии с программными алгоритмами устройство управления 4 приводит в действие исполнительные органы парогенератора - катушки 3 первичной обмотки, электромагнитный клапан 12, регулятор 14 и питательный насос 13. Парогенератор работает на постоянной мощности, поэтому устройство управления 4 путем управления питательным насосом 13 и регулятором 14 в зависимости от сигнала датчика температуры 10 при производстве сухого пара уменьшает подачу воды в подводящий патрубок 6, а при производстве влажного пара увеличивает подачу воды  в соответствии с известными правилами и алгоритмами  управления прямоточным парогенератором. Диапазон регулирования от сухого пара до влажного зависит от устойчивости работы трубчатой вторичной обмотки 5, в которой поддерживается стабильность тепловыделения и стабильность электромагнитного волнового процесса. Любой аварийный режим при работе парогенератора приводит к перегреву трубчатой вторичной обмотки 5 и полностью контролируется устройством управления 4 по сигналу датчика температуры 10. Превышение давления пара за пределами отводящего патрубка 7 (аварийный режим в сети потребителя) ограничено аварийным механическим предохранительным клапаном 18.
При испытании прямоточного электрического парогенератора, спроектированного и изготовленного в соответствии с настоящим описанием установлено, что при потребляемой мощности 60 КВт устройство производит пар в пределах от 60 до 260 кг/час  и может применяться в широком диапазоне приложений в разных отраслях народного хозяйства.