ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПАРОГЕНЕРАТОР
ELECTRIC STEAM GENERATOR

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно, к быстродействующим парогенераторам, предназначенным для генерирования водяного пара с электрообогревом, и может быть использовано для получения перегретого пара.
Известна парогенераторная установка [Патент РФ №2105926, F22B 1/30, 06.02.1996], содержащая паровой котел с электронагревателем и трубопроводами подвода воды и отвода пара, питающий насос и магниты для осаждения солей. Кроме того, она снабжена струйным насосом, установленными в трубопроводе подвода воды, и циркуляционным трубопроводом, сообщающим донную часть полости котла с камерой смешивания струйного насоса, при этом в циркуляционном трубопроводе установлены фильтрующие элементы.
Недостатком этого устройства является, то, что оно вырабатывает насыщенный водяной пар, а также имеет значительные габариты и металлоемкость, приводящие к большим тепловым потерям, результатом чего является низкий К.П.Д. установки.
Известен также электрический парогенератор перегретого водяного пара [патент РФ №2324859, F22B 1/28, 04.12.2006], представляющий собой корпус цилиндрической формы, снабженный системой подачи воды, электрическим нагревателем и пароперегревателем. Согласно изобретению в корпусе парогенератора коаксиально установлена металлическая обечайка с отверстием для подачи воды, в которой размещен электрический нагреватель, выполненный в виде двух параллельно навитых нихромовых спиралей, разделенных фильтром, при этом полость внутри электрического нагревателя и пространство между стенками обечайки и электрическим нагревателем заполнены термостойким гранулированным материалом.
Недостаток этого устройства в том, что у него большие габаритные размеры по отношению к нагревательному элементу, что приводит к тепловым потерям, и, как следствие, к снижению К.П.Д.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков является нагреватель-теплообменник [Патент РФ №2398161, F24H 1/20, F22B 1/28, 27.04.2009], содержащий крепежный фланец, пустотелую стойку, спирально расположенные по периферии трубки, тепловой электрический нагреватель и электроконтакты. Диаметр трубок уменьшается к верхней их части. Трубки расположены в цельнолитом корпусе вокруг нагревателя.
Недостатком этого устройства является то, что у него большие габаритные размеры по отношению к нагревательному элементу, приводящие к повышенным тепловым потерям, а отсюда, и к снижению К.П.Д. Кроме того для выработки перегретого водяного пара в этом устройстве не предусмотрена паросепарация.
В основу изобретения положена задача создания компактного электрического парогенератора, имеющего высокий К.П.Д., способного выдавать перегретый пар с высокой температурой и давлением на очень маленьком расходе и в широких пределах.
Поставленная задача решается тем, что в парогенераторе перегретого водяного пара тепловой электрический нагреватель установлен внутри имеющего форму трубы основания, в теле которого, со стороны внешней поверхности, для подачи воды под давлением выполнены винтовые и кольцевые каналы.
Согласно изобретению, электрический парогенератор содержит корпус, выполненный в виде основания, имеющего форму трубы, на внешней поверхности которой выполнены кольцевые и винтовые каналы, и напрессованной на основание имеющей форму трубы крышки, на противоположных концах которой установлены штуцер для подачи воды под давлением и штуцер для выхода перегретого пара, и тепловой электрический нагреватель, установленный внутри корпуса.
Согласно изобретению, кольцевые каналы выполнены как на концах основания, так и в середине на равных расстояниях друг от друга, а винтовой канал соединяет кольцевые каналы, причем направление движения винтового канала после прохождения каждого кольцевого канала меняется на противоположное, а вход и выход винтового канала не совпадают.
Согласно изобретению, трубчатый ТЭН, имеющий длину равную длине основания, установлен во внутреннем пространстве основания таким образом, что наружный диаметр основания отличается от поперечного размера ТЭНа только толщиной стенки основания.
Согласно изобретению, внутреннее пространство основания заполнено для лучшей теплоотдачи периклазом (микропорошок оксида магния) электротехническим DM-1. Внутреннее пространство основания может быть заполнено различными теплопроводящими материалами, например, песок, микропорошки керамики. Внутреннее пространство основания может быть заполнено воздухом.
Сущность технического решения поясняется рисунками.
Общий вид устройства - фиг.1.
Вид устройства с частично удаленными деталями - фиг.2.
Внешний вид основания - фиг.3.
Где: 1 - основание; 2 -крышка; 3 - винтовые каналы; 4 - кольцевые каналы; 5 - тепловой электрический нагреватель (ТЭН); 6 - штуцер для подачи воды под давлением; 7 - штуцер для выхода перегретого пара; 8 - внутреннее пространство основания; 9 и 10 - торцевые крышки; 11 - электрические контакты ТЭНа.
Заявляемое устройство состоит из основания 1 и крышки 2, напрессованной на основание 1. На основании 1 выполнены кольцевые каналы 4 и винтовые каналы 3. Кольцевые каналы выполнены как на концах основания 1, так и в середине. Причем минимальное количество кольцевых каналов - три: два на концах основания, один - в центре. Кольцевые каналы выполнены на равных расстояниях друг от друга. Винтовой канал соединяет кольцевые каналы, причем направление движения винтового канала после прохождения каждого кольцевого канала меняется на противоположное, а вход винтового канала в кольцевой и выход из него не совпадают. Внутри основания 1 размещен трубчатый тепловой электрический нагреватель (ТЭН) 5, имеющий длину равную длине основания. На крышке 2 установлены штуцер 6 для подачи воды под давлением и штуцер 7 для выхода перегретого пара. Внутреннее пространство 8 основания 1 закрыто с обеих сторон крышками 9 и 10. В крышке 9 выполнены отверстия для вывода электрических контактов 11 трубчатого ТЭНа 5. Пространство между трубками ТЭНа и внутренней поверхностью основания заполнено периклазом электротехническим.
В заявленном устройстве используют трубчатый тепловой электрический нагреватель (ТЭН), который установлен во внутреннем пространстве основания с минимальными зазорами.
Наружный диаметр основания достаточно мал, и отличается от поперечного размера ТЭНа только размером стенки. Поперечный размер ТЭНа равен двум диаметрам трубки ТЭНа. Диаметр крышки увеличивается только на толщину стенки крышки. Очевидно, что диаметр цельнолитого корпуса прототипа с залитыми в нем спиральными трубками всегда будет больше диаметра двух труб напрессованных друг на друга.
Длина парогенератора не лимитируется, поскольку здесь работает единичная длина ТЭНа, основания и крышки. Устройство может быть многосекционным, в котором секции соединены своими пустотелыми каналами последовательно. Устройство имеет очень хорошую теплоизоляцию.
В таком устройстве не требуется паросепаратор, так как движение водопаровой смеси в такой конфигурации меняет направление при переходе каждого кольцевого канала (количество кольцевых каналов и между них винтовых может быть любым). Кольцевые каналы задерживают капельки воды, поскольку они имеют гораздо большую плотность и будут двигаться по инерции, в то время как пар будет двигаться далее в противоположном направлении, что создает эффект паросепарации.
Все вышеперечисленные факторы обеспечивают компактность устройства, то есть его малые габариты, снижающие тепловые потери, а отсюда повышается К.П.Д.
Такой парогенератор способен выдавать перегретый пар с различными параметрами в широких пределах по температуре (от температуры кипения до 800°С) и давлению до 100 атмосфер при очень маленьких расходах (не более 2 л/час). Способность выдавать пар с указанными параметрами достигается за счет конструктивных параметров устройства и источника тепловой энергии, установленного внутри него. А именно, параметры выдаваемого пара зависят от габаритов устройства (длина внутреннего канала), материала стенок парогенератора и мощности ТЭНа.
Устройство работает следующим образом.
На электрические контакты 11 ТЭНа 5 подают напряжение 220 В. Устройство прогревается. Далее в штуцер 6 от питательного насоса подают дистиллированную воду под давлением. Проходя по полым каналам, вода закипает, а пар перегревается и выходит из штуцера 7.
В рамках экспериментальных исследований электрический парогенератор средней потребляемой мощности 1,5 кВт использовался для работы горелочного устройства с принудительной подачей перегретого водяного пара в зону реакции горения. В экспериментах использовался водяной пар со следующими параметрами: температура до 550°С, давление до 1,5 МПа, массовый расход до 1,6 кг/ч. Парогенератор состоял из трех последовательно соединенных нагревательных секций. Каждая секция представляет собой конструкцию труба в трубе с наружным диаметром внешней трубы 38 мм и длиной 0,5 м. Внутри внутренней трубы был установлен трубчатый электрический нагреватель U-образной формы (максимальная мощность 700 Вт). Пространство между нагревателем и стенкой трубы было заполнено периклазом DM-1 для увеличения теплопередачи. В стенке каждой внутренней трубы по всей длине выполнены по спирали закрытые паровые каналы прямоугольного поперечного сечения (4×2 мм) и длиной 6 м (для каждой секции). Снаружи трубы были теплоизолированы. На поверхности каждой секции были установлены контрольные датчики температуры. Перед запуском устройства парогенератор был опрессован давлением 50 атмосфер.
В рамках исследования было выбрано шесть расходов перегретого водяного пара F и для каждого значения расхода варьировалась температура в диапазоне 150-550°C с шагом около 100°С. Режимные параметры приведены в Таблице 1.
S
s
b
Давление пара в зависимости от значений F и T составляло от 0,15 до 0,9 МПа, перегрев пара T-T достигал 400°С.