ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC STEAM GENERATOR

Изобретение относится к области электричества, а именно к способам и устройствам преобразования электрической энергии в тепловую энергию и может быть использовано для индукционного нагрева жидкостей [F22B 1/28, H05B 6/10].
Из уровня техники известен ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВАТЕЛЬ ТЕКУЧИХ СРЕД [RU 2667515 C1, опубл.: 21.09.2018], содержащий трансформатор с шихтованным сердечником из ферромагнитного материала с первичной обмоткой, подключаемой к сети переменного тока; вторичную электропроводящую обмотку, являющуюся теплообменником для нагреваемой текучей среды, с патрубками для входа и выхода текучей среды, отличающийся тем, что используют О-образный тороидальный сердечник, состоящий из плоских замкнутых колец, с первичной обмоткой бифилярного типа с присоединенным к ней параллельно резонансным конденсатором, подключаемые к сети переменного тока; вторичную обмотку, состоящую из одного или нескольких витков толстостенной медной трубы.
Недостатком аналога является низкая производительность пара, обусловленная незначительной величиной электрической мощности, передаваемой на нагрев воды.
Также известен ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР [RU 2650996 C1, опубл.: 18.04.2018], включающий 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 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, причем 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 аналога является низкая производительность пара, обусловленная высокими потерями электрической мощности в виде реактивной.
Наиболее близким по технической сущности является ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР [RU 2667833 C1, опубл.: 24.09.2018], включающий 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, при этом 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.
Основной технической проблемой прототипа является низкий коэффициент полезного действия электрического парогенератора, обусловленный потерями мощности трансформаторов за счет значительного рассеяния магнитных потоков первичного напряжения.
Задачей изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента полезного действия электрического парогенератора.
Указанный технический результат достигается за счет того, что электрический парогенератор, содержащий многофазные электрические трансформаторы с магнитопроводами из наборных металлических сердечников, первичные обмотки, расположенные на стойках магнитопроводов, общую трубчатую вторичную обмотку, расположенную в магнитном поле изолированно и охватывающую все стойки магнитопроводов трансформаторов, средства для подачи жидкости через внутреннюю полость общей вторичной трубчатой обмотки, отличающийся тем, что дополнительно содержит многофазный электрический трансформатор с магнитопроводом на стойки которого смонтированы третичные обмотки с возможностью преобразования реактивной мощности, выделяемой трансформаторами с первичными обмотками, а общая трубчатая вторичная обмотка охватывает в том числе и стойки магнитопровода дополнительного трансформатора, к выводам третичной обмотки подключен, как минимум, один нагревательный элемент.
В частности, дополнительный трансформатор смонтирован между трансформаторами с первичными обмотками.
В частности, нагревательный элемент выполнен с возможностью предварительного нагрева жидкости перед подачей ее внутреннюю полость общей вторичной трубчатой обмотки.
В частности, во вторичной трубчатой обмотке смонтирован датчик температуры.
В частности, электрический парогенератор снабжен контроллером с возможностью управления производством пара.
На фигуре показан общий вид электрического парогенератора, на которой обозначено: 1 - магнитопроводы, 2 - первичные обмотки, 3 - вторичная обмотка, 4 - третичная обмотка, 5 - подводящий патрубок, 6 - отводящий патрубок.
Осуществление изобретения.
Электрический парогенератор состоит из трех трехфазных трансформаторов, смонтированных один возле другого. Каждый из упомянутых трансформаторов содержит стержневые магнитопроводы 1, выполненные из наборных пластин в виде вертикальных параллельно расположенных стержней, соединенных в верхней и нижней частях ярмом.
На стержнях крайних магнитопроводов 1 смонтированы первичные обмотки 2 трансформаторов, выполненные на изолированных фазных катушках.
На стержнях центрального магнитопровода 1 на изолированных катушках смонтирована третичная обмотка.
Вокруг катушек первичных 2 и третичной 4 обмоток трансформаторов смонтирована общая для трансформаторов вторичная обмотка трансформатора 3 выполненная из сплошной медной трубы, имеющей подводящий 5 и отводящий 6 патрубки. Указанная вторичная обмотка 5 трансформатора изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает сначала наружную часть первых катушек всех трех трансформаторов, затем проходит между первыми и вторыми катушками всех трех трансформаторов, затем между вторыми и третьими катушками всех трех трансформаторов и охватывает наружную часть третьих катушек всех трех трансформаторов. Далее вторичная обмотка 3 намотана в обратной последовательности к началу первого витка. Таким образом выполняют, как минимум, два спиральных витка вторичной обмотки 3.
Витки вторичной обмотки 2 соединены между собой неразъемным сварочным соединением, образуя единый электрический контур с возможностью обеспечения короткозамкнутого контакта витков вторичной обмотки 3 между собой и образования в трубе вторичной обмотке 3 независимого контура камеры парообразования с возможностью увеличения количества получаемой тепловой энергии.
Вторичная обмотка 3 выполнена из материала с высокой электропроводностью, например, меди или ее сплава и закрыта вокруг теплоизолирующим покрытием.
На входе и на выходе у подводящего 5 и отводящего 6 патрубков вторичной обмотки 3 смонтированы датчики температуры (на фигурах не показан). Датчики температуры подключены к контроллеру (на фигурах не показан).
Первичные обмотки 2 каждого из трехфазных трансформаторов соединены между собой по схеме «звезда» или «треугольник». Трехфазные трансформаторы с первичными обмотками 2 соединены между собой параллельно и подключены к источнику напряжения через контроллер.
К выводам третичной обмотки 4 подключен, как минимум, один электрический нагревательный элемент (на фигурах не показан).
Электрический парогенератор работает следующим образом.
Перед началом использования заполняют внутреннюю полость вторичной обмотки 3 через подводящий патрубок 5 жидкостью, например, водой.
На контроллере подбирают входные электрические параметры (ток, напряжение и промышленную частота тока) первичных обмоток 2 трансформаторов, влияющие на нагрев трубы вторичной обмотки 3 и тем самым обеспечивают во внутренней полости вторичной обмотки 3 термодинамические условия, соответствующие фазам перехода воды в парообразное состояние.
Подают на первичные обмотки 2 трехфазных трансформаторов напряжение питания с подобранными током промышленной частотой. В результате прохождения в первичных обмотках 2 переменного тока в наборных металлических пластинах магнитопроводов 1 возникает переменный магнитный поток и индуцируется магнитное поле одинакового направления.
Под воздействием индуцированного магнитного поля общая вторичная обмотка 3, образующая короткозамкнутые электромагнитный контур, охватывает магнитный поток в пластинах магнитопроводов 1 и создает безопасное короткое замыкание, способное проводить переменный ток от 3900 А и выше. При создании короткого замыкания труба вторичной обмотки 3 нагревается и передает тепловую энергию на нагрев жидкости, находящейся в трубе вторичной обмотке 3 и превращения ее в пар. Полученный пар выводят через отводящий патрубок 6.
Электрический ток указанной величины 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 обмотки 3 с выработкой пара. Вместе с тем, первичные обмотки 2 трехфазных трансформаторов при прочих одинаковых показателях равномерно нагружают электрическую сеть и имеют провода меньшего сечения по сравнению с однофазными. Кроме этого, трехфазные трансформаторы имеют первичные обмотки 2 меньших размеров по сравнению с первичными обмотками однофазных трансформаторов такой же мощности.
Магнитные потоки, возникающие в наборных металлических пластинах магнитопроводов 1 в результате прохождения в первичных обмотках 2 переменного тока и магнитные потоки, возникающие в контурах вторичной обмотки 3 индуцируют в магнитопроводе 1 третичной обмотки 4 трансформатора ЭДС. Под действием наводящей ЭДС на выходе третичной обмотки 4 возникает напряжение, которое используют для питания, как минимум, одного нагревателя (на фигурах не показан), подключенного к третичной обмотке 4, тепловую энергию которого используют для нагрева жидкости перед ее подачей в подводящий патрубок 5, тем самым уменьшают время преобразования жидкости в пар во вторичной обмотке 3 трансформатора или потребляемую мощность трехфазных трансформаторов первичными обмотками 2.
Технический результат - повышение коэффициента полезного действия электрического парогенератора достигается за счет монтажа между магнитопроводами 1 многофазных трансформаторов с первичными обмотками 2 на их стержнях дополнительного многофазного трансформатора с магнитопроводом 1 на стойки которого смонтированы третичные обмотки 4 выполненные с возможностью поглощения рассеиваемых магнитных потоков от первичных обмоток 2 и вторичной обмотки 3, охватывающей в том числе и стойки магнитопровода 1 упомянутого дополнительного трансформатора и использования наведенной в третичной обмотке 4 упомянутыми магнитными потоками ЭДС для предварительного подогрева жидкости перед подачей ее в трубчатую вторичную обмотку 3.
Технический результат подтвержден испытаниями изготовленного автором изобретения в 2019 году образца описанного электрического парогенератора, которые показали, что использование трехфазного трансформатора со смонтированной на его магнитопроводе 1 третичной обмоткой 4 для наведения в ней рассеянными магнитными потоками от первичных 2 и вторичной 3 обмоток 3 ЭДС и преобразования наведенной ЭДС в тепловую энергию нагревателями, подключенными к третичной обмотке 4 и затрачиваемую на дополнительный нагрев жидкости перед подачей ее в трубчатую вторичную обмотку 3 обеспечила повышение количества вырабатываемого пара при неизменной величине потребляемой, электрическим парогенератором, мощности на 50% и соответственно повышение коэффициента полезного действия.
Для проверки технического результата был разработан и испытан электрический парогенератор, состоящий из трех трехфазных трансформаторов с общей вторичной обмоткой 3 из медной трубы диаметром 22 мм, охватывающей все стойки трех трансформаторов. Сечение магнитопровода 1 центрального трансформатора с третичной обмоткой 4 составляли 2/3 от сечения магнитопроводов 1 трансформаторов с первичными обмотками 2. В качестве сравнения ему был противопоставлен электрический парогенератор с двумя трехфазными трансформаторами и общей вторичной обмоткой 3 из медной трубы диаметром 22 мм, охватывающей стойки обоих трансформаторов.
Потребляемая мощность обоих электрических парогенераторов одинакова и составляла по 100 кВт. Давление воды на входном патрубке 5 у обоих электрических парогенераторов составляло 15 бар, а температура подаваемой воды 20°С. Результаты испытаний показали, что второй электрический парогенератор произвел в среднем 250 кг пара за час, а второй от 350 до 400 кг пара, с коэффициентом сухости пара 40% на обоих парогенераторах.