ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC STEAM GENERATOR

Область техники, которой относится изобретение
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.
Уровень техники
Из уровня техники известен электрический парогенератор, включающий электрический трансформатор, имеющий наборной 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 1,999,446)
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. 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. Отклонения этих параметров приводит 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, реализуемого во всех видах парогенераторов, является низкая теплоаккумулирующая способность труб (см. стр.266 в книге А.П.Ковалева " Парогенераторы: Учебник для вузов." - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 386 с., ил.). Данный недостаток особенно проявляется в известном устройстве US 1,999,446, 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 возможна только путем внесения изменений в конструкцию, позволяющих удлинить трубу и при этом обеспечить достаточную для производства пара температуру ее нагрева за счет повышения плотности нагревающего ее тока. Это конфликтующие параметры, поскольку повышение плотности тока в известной конструкции возможно при уменьшении длины трубы.
Известен также индукционный нагреватель текучих сред, принятый за прототип, содержащий плоский ферромагнитный сердечник со стержнями, на которых намотана первичная обмотка, соединенная с источником переменного тока, и индуктивно связанную с первичной обмоткой через сердечник электропроводящую вторичную обмотку, являющейся теплообменником для нагреваемой текучей среды, снабженным патрубками для входа и выхода нагреваемой текучей среды и выполненным из расположенных в плоскости витков первичной обмотки трубчатых элементов, каждый из которых выполнен в виде витка, образующего замкнутый контур вокруг соответствующего стержня сердечника, при этом расположенные в межкатушечном пространстве участки трубчатых элементов выполнены усеченными, а усеченные участки трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни и расположенные в одной плоскости, соединены с ними неразъемно ( RU 2263418 С2 )
При таком исполнении в индукционном нагревателе текучих сред достигается повышение коэффициента полезного действия и коэффициента мощности, уменьшение габаритов и материалоемкости устройства, имеется возможность применять более длинные трубы.
Однако при таком исполнении снижается надежность работы индукционного нагревателя в связи усечением целостности трубчатых элементов и последующим соединением их неразъемно. При этом из соединяемых трубчатых элементов образуется общая внутренняя полость трубчатых элементов большого объема, которая способна выдерживать меньшее давление по сравнению с каждым отдельным трубчатым элементом и даже без учета ее ослабления неразъемным соединением при использовании она становится взрывоопасной.
Кроме того общая внутренняя полость теплообменника не может применяться для конструирования прямоточного парогенератора, в котором нагреваемая среда под давлением питательного насоса последовательно по мере движения по внутренней полости неразрывной трубы превращается из жидкости в пар. В этом принцип его действия, при нарушении которого парогенератор будет работать с риском локального перегрева труб в местах, где скорость движения теплоносителя замедляется. Поэтому устройство, принятое за прототип, не может быть использовано для эффективной генерации пара.
Особым существенным недостатком прототипа является принципиальное в конструкции неразъемное соединение в межкатушечном пространстве усеченных участков трубчатых элементов, охватывающих соседние стержни в одной плоскости. Эта плоскость оказывается перпендикулярной вектору магнитной индукции первичной обмотки. Во вторичной трубчатой обмотке, выполненной из короткозамкнутых витков вокруг каждого стержня, электрически являющихся трубчатыми проводниками, максимальная плотность тока приходится как раз на участки трубчатого проводника, близкие к диаметральной плоскости трубчатого проводника, перпендикулярной направлению вектора магнитной индукции. Неразъемное соединение, выполненное в зоне максимальной плотности тока, в ходе эксплуатации подвергается разрушению от этого тока и снижает надежность устройства в целом.
Сущность изобретения
Задачей, решаемой заявленным изобретением, является создание надежного индукционного электрического парогенератора с увеличенной производительностью пара при одновременном снижении металлоёмкости и габаритных размеров парогенератора.
Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности работы и паропроизводительности индукционного электрического парогенератора
Заявленный технический результат достигается за счет того, что электрический парогенератор, включающий ферромагнитный сердечник со стержнями, 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 замкнутые витки, отличающийся тем, что витки общей трубчатой вторичной обмотки, расположенные в межкатушечном пространстве, соединены электрически параллельно неразъемно наружно в плоскости диаметра трубы, параллельного вектору магнитной индукции стержней, а на периферии в межтрубном пространстве между витками трубчатой вторичной обмотки установлен по меньшей мере один дистанционный элемент, наружно соединенный с витками неразъемным соединением в плоскости диаметров труб, параллельных вектору магнитной индукции стержней.
В частном случае реализации заявленного технического решения ферромагнитный сердечник выполнен трёхфазным.
В частном случае реализации заявленного технического решения дистанционные элементы выполнены цилиндрическими с диаметром, равным диаметру трубчатой вторичной обмотки.
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:
на фиг.1 показан общий вид трехфазного электрического парогенератора (аксонометрия);
на фиг.2 – трубчатая вторичная обмотка (аксонометрия).
На чертежах цифрами обозначены следующие позиции:
1 – плоский ферромагнитный сердечник; 2 – стержни ферромагнитного сердечника; 3 – катушки; 4 – отвод; 5 – трубчатая вторичная обмотка; 6 –подводящий патрубок; 7 – отводящий патрубок ; 8 – неразъемное соединение; 9 – дистанционные цилиндрические элементы.
Раскрытие изобретения
Доказательства возможности осуществления нового электрического парогенератора с реализацией указанного назначения приводятся ниже с помощью настоящего описания. Данное описание заявленного технического решения по настоящему изобретению ни в коей мере не ограничивает объем его правовой защиты.
В этом примере дана иллюстрация нового электрического парогенератора.
В данном конкретном примере электрический парогенератор выполнен на базе трехфазного трансформатора с плоским ферромагнитным сердечником (1) со стержнями (2), на которых расположены первичные обмотки в виде катушек (3). Первичная обмотка в виде катушек (3) подсоединяется к источнику электрического переменного тока через отводы (4). Общая трубчатая вторичная обмотка (5) выполнена из сплошной трубы и имеет подводящий (6) и отводящий (7) патрубки.
Общая трубчатая вторичная обмотка (5) электрического парогенератора изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает все стержни (2) плоского ферромагнитного сердечника (1) кольцами вокруг каждого стержня (2). При помощи неразъемного соединения (8) в виде сварки или пайки колец общей трубчатой обмотки (5) в межкатушечном пространстве образуются короткозамкнутые витки вокруг каждого стержня (2).
Принципиально, что неразъемное наружное соединение (8) витков общей трубчатой обмотки (5) в межкатушечном пространстве выполнено в плоскости диаметра трубы, параллельного вектору магнитной индукции в стержнях (2). Вместе с тем, участки колец общей трубчатой обмотки (5), расположенные за пределами межкатушечного пространства, дистанцированы друг от друга на размер диаметра трубы и между ними с помощью неразъемного соединения (8) установлены дистанционные цилиндрические элементы (9), обеспечивающие жесткость конструкции и дополняющие короткое замыкание витка. Диаметр дистанционных трубчатых элементов равен диаметру трубы вторичной трубчатой обмотки.
Такое осуществление короткого замыкания токов вторичной трубчатой обмотки, соответствует физическим процессам, протекающим во вторичной короткозамкнутой обмотке, благодаря чему устройство отличается простотой конструкции и в нем не возникает дополнительных энергетических потерь, приводящих к перегреву или разрушению. Кроме того, полученное согласно изобретению устройство нечувствительно к параметрам сдвига фаз питающего напряжения, что также является его преимуществом.
Длина трубы, количество короткозамкнутых витков вокруг каждого стержня (2) определяются теплотехническим расчетом. Эксперименты показали, что указанная конструкция общей трубчатой вторичной обмотки (5) позволяет наводить индукционные токи в стенке трубы, обеспечивающие заданный равномерный нагрев трубы по всей длине.
Работает описанный электрический парогенератор следующим образом. Вначале обеспечивают движение воды путем подачи ее под давлением через подводящий патрубок (6) во внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки (5). Затем первичные обмотки (3) через отводы (4) подключают к сети переменного тока. В результате этого первичные обмотки индуцируют в стержнях (2) переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока в короткозамкнутых вокруг каждого стержня (2) витках общей трубчатой обмотки (5), образованных с помощью неразъемных соединений (8), индуцируется сильный ток, нагревающий общую трубчатую вторичную обмотку (5). Тепловая энергия переходит к воде, движущейся во внутренней полости общей трубчатой вторичной обмотки (5). Здесь же в соответствии с принципом работы прямоточного парогенератора происходит испарение воды и полученный пар выходит через отводящий патрубок (7).
Величина тока, нагревающего общую трубчатую обмотку (5), ее длина и теплоаккумулирующая способность при исполнении устройства в соответствии с настоящим изобретением не являются конфликтующими параметрами, благодаря чему в процессе проектирования обеспечивается возможность создания компактных и надежных в работе парогенераторов. Неразрывность общей трубчатой вторичной обмотки (5) и равномерность ее нагрева электрическим током по всей длине обеспечивает в полной мере осуществление принципа действия прямоточного парогенератора.
Для дополнительного доказательства осуществления изобретения и достижения поставленной цели был взят трехфазный плоский сердечник и на нем осуществлен парогенератор мощностью 30 КВт. В соответствии с расчетом на каждой стойке сердечника образовалось по 3 витка вторичной трубчатой обмотки, выполненной из медной трубы диаметром 19 мм. Общая длина паровой трубы составила 6,3 м, а тепловая мощность соответственно 4762 Вт/м. При испытании этого парогенератора, спроектированного и изготовленного в соответствии с настоящим изобретением установлено, что устройство имеет высокий кпд и коэффициент мощности 98%. Производительность такого парогенератора составила 100 кг пара/час. В режиме непрерывной работы температура первичной обмотки возросла на 96°С по сравнению с исходной температурой в начале испытания. Затем путем соответствующего перерасчета на этом же сердечнике был осуществлен парогенератор мощностью 40 КВт, при этом он имел по 4 витка вторичной трубчатой обмотки на каждом стержне трехфазного сердечника, а общую длину медной трубы 10,32 м. Тепловая мощность трубы снизилась до 3876 Вт/м, производительность по пару получалась в пределах 120 – 130 кг пара/час. В режиме непрерывной работы температура первичной обмотки трансформатора достигла установившегося значения, на 108°С превышающего начальную температуру, при этом оставаясь в пределах допустимого значения для изоляции первичной обмотки.
Таким образом, было установлено, что недостатки прототипа преодолены и устройство может использоваться как прямоточный парогенератор в определенном диапазоне мощностей без потери надежности работы.