Индукционный парогенератор насыщенного пара

Полезная модель относится к области электротехники и электроэнергетики, а именно к индукционным нагревателям, и может быть использована в различных сферах: выработке пара для технологических нужд, прямого и косвенного нагрева различных сред, в системах отопления производственных зданий, в системах прямой обработки емкостей и поверхностей паром.
Известен индукционный парогенератор [1], содержащий внешний индукционный нагреватель, охватывающий кольцевую емкость, сообщенную с источником нагреваемого теплоносителя и трубопроводом потребляемого пара, во внутренней полости кольцевой емкости, коаксиально ей расположен сепаратор-пароперегреватель, нижняя часть которого сообщена с верхней частью кольцевой полости, а в кольцевом зазоре между сепаратором-пароперегревателем и внутренней стенкой кольцевой емкости расположен внутренний индукционный нагреватель.
Недостатком указанного выше индукционного парогенератора является технологическая сложность и высокая трудоемкость изготовления конструкции парогенератора, обусловленная необходимостью применения в составе изделия двух индукционных нагревателей, наличием в конструкции трубных элементов со сложным профилем изгиба и угловым сварным соединением с сепаратором-пароперегревателем. Также отсутствие источника нагрева в нижней части сепаратора-пароперегревателя ведет к накоплению конденсата в данной области, что периодически будет приводить к выходу из парогенератора паро-водяной смеси, что обуславливает снижение уровня промышленной применимости.
Известен электрический парогенератор [2], который включает электрические трансформаторы, имеющие наборные металлические сердечники, предназначенные для создания замкнутого магнитного поля в них, 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, межтрубные, соединяющие ближайшие точки, и надтрубные, соединяющие наиболее 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.
Недостатком данного электрического парогенератора является необходимость применения нескольких трансформаторов, что обуславливает высокую материалоемкость, технологическую сложность и высокую трудоемкость изготовления многовитковой конструкцией вторичной обмотки со сложным профилем изгиба. Данная конфигурация внутреннего объема вторичной обмотки, не позволяет получить так называемый «сухой пар» и «насыщенный пар» в котором отсутствуют взвешенные капли воды.
Известен прямоточный электрический парогенератор [3-прототип], который содержит 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 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.
Недостатком вышеназванного прямоточного электрического парогенератора является многовитковая конструкция вторичной обмотки, что обуславливает технологическую сложность изготовления. Не ограниченная принудительная выработка пароводяной смеси, в виду того, что жидкость без ограничения движется по трубчатой вторичной обмотке и может покидать греющую часть парогенератора в жидком агрегатном состоянии, не позволяет производить выработку пара без выброса воды и/или паро-водяной смеси, контролировать точную производительность парогенератора по «насыщенному пару», применяемого в большинстве технологических процессов, являющегося расчетной единицей при подборе мощности парогенератора в теплотехнических расчетах, что обуславливает низкую степень промышленной применимости.
Предлагаемое техническое решение - индукционный парогенератор насыщенного пара - направлено на устранение выявленных недостатков прототипа и аналогов, а именно, уменьшение трудоемкости и технологической сложности изготовления, повышение уровня промышленной применимости, обеспечение возможности выработки «сухого пара» и «насыщенного пара» без образования на выходе из парогенератора воды в жидком агрегатном состоянии и/или паро-водяной смеси.
Предлагаемое техническое решение представлено на фиг. 1, 2, 3, 4, 5.
Индукционный парогенератор насыщенного пара представляет собой сборную установку. На фиг. 1 цифрой 1 обозначена вторичная обмотка (теплообменная часть), цифрой 2 - катушка первичной обмотки, цифрой 3 - трехфазный трансформатор с сердечником из листовой электротехнической стали, цифрой 4 - трубопровод ввода воды, цифрой 5 - сливной патрубок, цифрой 6 - трубопровод отвода теплоносителя, цифрой 7 - предохранительный клапан, цифрой 8 - датчик температуры пара, цифрой 9 - электроконтактный манометр, цифрой 10 - пространственная рама, цифрой 11 - уровнемерная колонка, цифрой 12 - датчик верхнего уровня, цифрой 13 - датчик нижнего уровня, цифрой 14 - питательный насос. На фиг. 2, 3, 4, 5 питательный насос 14 не показан.
Индукционный парогенератор насыщенного пара работает следующим образом: имеется пространственная рама 10 (см. фиг. 1) на которой смонтированы трехфазный трансформатор с сердечником, выполненным из листовой электротехнической стали 3, на стержнях сердечника расположены три первичные обмотки 2, подключаемые к трехфазной электрической сети, при подаче переменного электрического тока в первичной обмотке возникает магнитное поле, за счет действия вихревых токов разогревается вторичная обмотка 1, поступившая с помощью насоса 14, в трубопровод ввода 4, вода протекает через вторичную обмотку 1 и заполняет ее до уровня 3 (см. фиг. 4) после насос 14 останавливается по сигналу датчика верхнего уровня 12, находящегося в уровнемерной колонке 11. Направление движения воды отражено на фиг. 5, вода за счет теплообмена со стенками вторичной обмотки 1 (см. фиг. 1) нагревается и образуется пар в верхнем сегменте 6 (см. фиг. 4) вторичной обмотки 1 (см. фиг. 1). По факту накопления в верхней части, так называемой паровой камере, вторичной обмотки 1 насыщенного пара, пар под собственным избыточным давлением движется к выходному трубопроводу 6. В процессе работы нагревателя, с помощью смонтированного на трубопроводе 6 температурного датчика 8, обеспечивается контроль за температурой пара, с помощью электроконтактного манометра 9 осуществляется контроль за давлением пара в парогенераторе и ограничивается работа парогенератора при превышающем избыточном давлении, в случае превышения избыточного давления теплоносителя и не срабатывания отключения нагрева электрокотактным манометром 9, избыточный объем пара будет сброшен через предохранительный клапан 7 механически для снижения давления в системе. При выработке пара часть жидкости постепенно покидает вторичную обмотку 1 в парообразном агрегатном состоянии. При достижении жидкостью уровня 4 (см. фиг. 4) насос 14 (см. фиг. 1), по сигналу датчика нижнего уровня 13, включается в работу для пополнения парогенератора водой до уровня 3 (см. фиг. 3) после насос 14 (см. фиг. 1) выключается. Цикл парообразования и пополнения парогенератора может быть повторен неограниченное количество раз. Сливной патрубок 5, находящийся в нижней точке трубопровода ввода 4, обеспечивает слив жидкости из парогенератора после проведения гидравлических испытаний, слив жидкости из нагревателя без его отсоединение от трубопроводов подачи и отвода в уже смонтированной системе на месте постоянной эксплуатации, возможность взятия пробы жидкости из системы без отключения нагревателя от сетевых трубопроводов, обеспечивает слив отложений скопившихся в нижней части вторичной обмотки 1. Вторичная обмотка 1 конструктивно представляет собой четыре взаимно пересеченных цилиндра, образованных меньшими внутренними диаметрами 1 (см. фиг. 4) и большими пересекающимся между собой внешними диаметрами 2, что образует единый внутренний объем парогенератора состоящего из водогрейной части - три нижних сегмента и паровой камеры - один верхний сегмент. Конструкция формы теплообменной части представлена на фиг. 2. Сведения о положении сечений представленных на фиг. 4 и фиг. 5 указаны на фиг. 3. Данная конструкция вторичной обмотки обеспечивает однонаправленное движения пара вверх по нагревателю от верхней части водяной кромки до трубопровода вывода пара исключая поступление к выходу воды в жидком агрегатном состоянии.
Предлагаемая полезная модель - индукционный парогенератор насыщенного пара, обеспечивает возможность выработки «сухого пара» и «насыщенного пара» без образования на выходе из парогенератора воды в жидком агрегатном состоянии и/или паро-водяной смеси, в тоже время данная конструкция теплообменной части в виде однотипных взаимно пересеченных цилиндрических сегментов снижает технологическую сложность и трудоемкость изготовления изделия.
С учетом факторов изложенных выше и устранения недостатков аналогов и прототипа, достигается необходимый результат, что обуславливает промышленную применимость технического решения.
Данное техническое решение апробировано при практическом изготовлении индукционных парогенераторов с данной конструкцией, получено подтверждение промышленной применимости и возможности внедрения в различные технологические процессы. Планируется осуществление серийного выпуска оборудования, на основании данного технического решения, с единичной мощностью в диапазоне 25-2500 кВт с различным напряжением питающей сети.
Источники информации:
1. Патент RU № 2303191, 2007.
2. Патент RU №2667833, 2018.
3. Патент RU № 2691726, 2019.