ПАРОГЕНЕРАТОР
STEAM GENERATOR

Изобретение относится к генераторам пара, в частности к генераторам пара воды, и может быть использовано в теплоэнергетике, в отраслях промышленности с технологическими процессами, требующими производства строго дозированных объемов пара, а также в исследовательских установках.
Известны промышленные парогенераторы: электропарогенераторы Е6, Е72 (Германия), ELMO (Финляндия, фирма "STEAMRATOR"), Омега-10, ПГ-2, ПГ-1 (Россия, ОАО «Художественная роспись»), МАКАР - ЭПГ/ВП-25 (Россия, ЗАО «ЭКОНИКА-Техно»), в которых в качестве нагревателей используются теплоэлектронагревательные элементы - ТЭНы.
Недостаток этих конструкций - нестабильность паропроизводительности в процессе эксплуатации, связанная с образованием слоя накипи на ТЭНах. Химическая подготовка воды лишь снижает скорость образования накипи, но полностью проблему не решает. КПД генератора по мере роста накипи снижается.
Известны парогенераторы, в которых для получения пара используются электродные нагреватели (патент РФ №2159274, МПК C12C 13/00, опубл. 20.11.2000; генераторы ЭЭП-60, ЭПГ-100, фирма ЗАО «ЭКОНИКА-Техно», Россия), выполненные в виде стержневых или плоских стальных электродов, размещенных в испаряемой жидкости. Парогенераторы такого типа по сравнению с описанными выше обладают большей эффективностью (КПД) за счет нагрева жидкости прямым пропусканием тока через нее, а не передачей тепла через стенку. Недостаток таких генераторов - нестабильность расхода генерируемого пара из-за неустойчивостей и пульсаций, характерных для кипения жидкостей в больших объемах, выноса капель жидкости в канал выхода пара.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому изобретению является парогенератор, содержащий электроизолированный корпус (котел) с испаряемой жидкостью и погруженным в нее электродным нагревателем, а также питательную емкость, подключенную к котлу трубопроводом по воде, и тракты для подачи жидкости и выхода пара (патент РФ №2145399, МПК F22B 1/30, опубл. 10.02.2000).
Недостатками известного технического решения являются:
1) невысокий КПД из-за потерь тепла из зоны парообразования в стенки корпуса, так как до кипения нагревается весь объем жидкости, находящийся в корпусе;
2) нестабильность расхода генерируемого пара, как вследствие пульсаций кипящей жидкости, так и вследствие зависимости производительности от уровня погружения электродов в жидкость. Обеспечить сохранение уровня расходуемой жидкости строго постоянным, особенно при ее кипении, технически сложно. Питательная емкость в известном устройстве заполняется периодическим включением электронасосного агрегата, что не позволяет поддерживать уровень жидкости в корпусе парогенератора постоянным. Указанные недостатки не позволяют использовать известное устройство для точного дозирования расхода получаемого пара.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности работы парогенератора, а также повышение точности дозирования и стабильности расхода генерируемого пара.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в парогенераторе, содержащем электроизолированный корпус с испаряемой жидкостью, соединенный с трактами подачи жидкости и выхода пара, размещенный в корпусе электродный узел выполнен в виде пакета электродов, между которыми размещены проставки из пористого материала, размер которых превышает размер электродов, при этом выступающие за пределы электродов участки проставок размещены в испаряемой жидкости, а крайние электроды пакета закрыты равными по величине электродам элементами из теплоизолирующего материала.
Проставки могут быть выполнены из электроизоляционного капиллярно-пористого материала, например пористой окисной керамики. Пакеты с такими проставками используются для получения пара из жидкостей с электрической проводимостью 0,01-10 См/м.
Проставки могут быть выполнены из электропроводного капиллярно-пористого материала, например пористой нержавеющей стали. Электродные пакеты с такими проставками используются для получения пара из жидкостей с электрической проводимостью меньшей 0,01 См/м, например дистиллированной воды.
Электроды могут быть выполнены из капиллярно-пористого материала, например спрессованных сеток из нержавеющей стали.
Высокая эффективность парогенератора (КПД не ниже 0,97) обеспечивается за счет:
1) нагрева испаряемой жидкости прямым пропусканием тока через нее, а не через стенку от источника тепла;
2) вклада энергии в относительно небольшое количество испаряемой жидкости, близкое по величине и количеству генерируемого пара, а не в весь объем жидкости в корпусе генератора;
3) существенного снижения потерь тепла из зоны генерации пара, так как внешняя поверхность рабочей зоны генератора (пакета) невелика и не контактирует с охлаждаемыми элементами парогенератора.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами.
На фиг.1. показана схема предлагаемого парогенератора.
На фиг.2 показан нагреватель с пакетом электродов для питания трехфазным током.
На фиг.3 показан вариант компактного исполнения пакета из электродов и проставок.
Устройство, показанное на фиг.1, содержит силовой корпус 1, корпус из электроизоляционного материала 2, герметично закрывающую корпус 2 крышку 3 с каналом 4 для вывода пара, размещенные в крышке токоподводы 5. В корпусе 2 размещен нагреватель, который выполнен в виде пакета из чередующихся электродов 6, разделенных межэлектродными проставками 7 из пористого материала, и двух теплоизолирующих элементов 8, установленных на внешних сторонах крайних электродов. Проставки 7 по размерам превышают размеры электродов 6 и их свободные, не контактирующие с электродами, участки размещены в испаряемой жидкости. Корпус 2 через тракт связан с устройством подачи жидкости (питателем) 9.
Нагреватель (см. фиг.2) для питания трехфазным током выполнен в виде пакета из трех электродов 6, проставок 7 и теплоизолирующих элементов 8. Плотное без зазоров соединение электродов и проставок обеспечивается их посадкой в корпус 2 по цилиндрической поверхности теплоизолирующих элементов 8.
Нагреватель (см. фиг.3) может быть выполнен в виде пакета из спирально свернутых электродов 6, например из лент из нержавеющей стали, разделенных проставками 7, например, из войлока.
Генератор пара работает следующим образом. В пространство между электродами 6, занимаемое капиллярно-пористым материалом проставок 7, за счет капиллярных сил по материалу проставок непрерывно подается жидкость из донной области корпуса 2, свободные концы проставок 7 размещены в испаряемой жидкости. Между электродами, связанными через токоподводы 5 с источником питания, поперек направлению фильтрации жидкости через проставки 7 пропускается ток. Величина тока устанавливается такой, чтобы кипение жидкости происходило в поровых каналах в межэлектродном объеме проставок. Пар накапливается в свободном пространстве верхней части корпуса 2 и через канал 3 поступает к потребителю. Увеличение температуры пара, при необходимости, обеспечивается за счет повышения давления в корпусе 2, например, подпором расхода пара через канал 3. Требуемый расход пара достигается установкой соответствующего тока между электродами.
Примеры конкретного осуществления.
В цилиндрическом корпусе из нержавеющей стали установлен коаксиальный сосуд из электроизоляционного материала, например фторопласта, сообщающийся с трубкой подачи жидкости, например воды. Корпус закрыт герметично крышкой, в которой выполнен теплоизолированный канал для выхода пара и токоподводы. В сосуде из фторопласта размещается пакет из нескольких электродов, чередующихся с плотно прижатыми к электродам проставками из пористого материала. Электроды - пластины из нержавеющей стали - соединены с токоподводами. Проставки выполнены в виде пластин, например, из пористой керамики (пенокварца, пенокорунда, пористой двуокиси циркония и др.). Размеры проставок - ширина и высота - превышают размеры электродов. Выступающие за пределы электродов участки проставок размещены в жидкости.
2
Генератор пара воды производительностью до 20 кг/час имеет объем 5 л (диаметр 180 мм, высота 200 мм). Пакет состоит из 7 электродов - пластин из стали 12Х18Н10Т толщиной 2 мм. Размеры пластин электродов 100×100 мм. Пластины проставок толщиной 15 мм, шириной 120 мм и высотой 160 мм изготовлены из кварцевой пенокерамики пористостью 0,75-0,85. Нижние концы фитильных проставок на 10-50 мм опущены в воду. Объем воды в корпусе составляет 1-1,5 л. По мере расхода воды осуществляется подпитка через патрубок подачи воды. Три электродные пластины соединены с одним токоподводом, четыре - с другим таким образом, что полярность соседних электродов различна. Токоподводы подключены к источнику питания с регулируемым переменным напряжением до 220 В. Рабочий ток через пакет электродов - до 60 А, а электрическая мощность при максимальной производительности - до 13 кВт. Необходимая производительность парогенератора обеспечивается установкой на электродах соответствующего напряжения (тока через капиллярную среду). Высокая стабильность расхода сохраняется независимо от уровня воды в корпусе (глубины погружения вставок). Дозирование расхода пара осуществляется регулированием вкладываемой в нагреватель мощности без использования внешних, располагаемых обычно за генератором в линии подачи пара, регуляторов расхода. Точность дозирования определяется точностью установки напряжения и тока через электроды, и при использовании контрольно-измерительных приборов класса не ниже 1,0 отклонения от заданного значения расхода не превышают 2%.
2
Генератор пара воды с производительностью 0,002-0,004 г/с (до 0,015 кг/час) имеет нагреватель, выполненный из двух электродов - металлических пластин размером 20×20 мм - и размещенной между электродами проставки из пенокерамики толщиной 20 мм. Ширина проставки 50 мм, длина 100 мм. Нагреватель установлен в электро- и теплоизолированном герметичном корпусе с объемом для воды 1 л. В зависимости от электропроводности используемой воды для обеспечения дозированных расходов в указанном диапазоне производительности напряжение питания нагревателя переменным током составляет 5-30 В. Управление дозированием - компьютерное. Отклонение расхода от заданного значения не превышает 0,0001 г/с.
Время выхода на заданный режим работы (необходимую производительность) с момента включения «холодного» парогенератора не превышает 60 с. Управление производительностью для технологических процессов, предусматривающих изменение расхода, осуществляется по программе с компьютера, и переключения на режим с другим расходом не превышают нескольких секунд.
Характеристики капиллярно-пористого материала проставок (скорость подвода воды в зону нагрева и количество генерируемого пара с единицы объема) через 500 часов работы генератора сохранились неизменными, на электродах отсутствует накипь. Отложения солей жесткости не прошедшей химической подготовки воды концентрируются на дне сосуда из фторопласта и легко удаляются.
Высокая точность дозирования (отклонения по расходу не более 2%) достигается за счет нагрева жидкости пропусканием через нее тока, значения которого контролируются с высокой точностью.
Предлагаемый парогенератор по сравнению с прототипом имеет следующие преимущества:
1) высокая эффективность парогенератора;
2) простота и высокая точность дозирования объемов генерируемого пара;
3) уменьшенные габариты при более высокой производительности;
4) отсутствие необходимости химической водоподготовки при получении пара воды.
Указанные преимущества свидетельствуют, что поставленные в изобретении задачи достигаются и экономический эффект от его использования будет существенным.