Высокотемпературный индукционный пароперегреватель
HIGH TEMPERATURE INDUCTION SUPERHEATER

Изобретение относится к устройствам преобразования электрической энергии в тепловую и создания теплообмена и может быть использовано прежде всего в высокотемпературных процессах.
Общим недостатком известных прямоточных парогенераторов является резкое падение надежности работы труб при повышении давления пара и особенно температуры нагрева. Это является препятствием для создания высокотемпературных устройств.
Известен прямоточный электрический паронагреватель, содержащий силовой блок парообразования индукционного парогенератора со вторичной обмоткой, силовой блок пароперегрева индукционного пароперегревателя со вторичной обмоткой, ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой, подключенной к сети, вторичные обмотки парогенератора и пароперегревателя, расположенные на указанном ферромагнитном сердечнике, при этом вторичные обмотки индукционного парогенератора и индукционного пароперегревателя выполнены в виде трубчатого проводника с входным и выходным патрубками для пропускания воды через внутреннюю полость внутреннего проводника, токопроводящая поверхность которого выполнена в виде замкнутой односторонней поверхности Мёбиуса (RU №171694 U1, опубликовано 13.06.2017).
Наиболее близким к предложенному является прямоточный электрический парогенератор, содержащий 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 (RU 2691726 С1, опубликовано 18.06.2019).
Общим недостатком известных прямоточных парогенераторов является резкое падение надежности вторичной трубчатой обмотки при повышении давления пара и особенно температуры нагрева. Это напрямую связано с конструкцией вторичной трубчатой обмотки и является препятствием для создания высокотемпературных устройств, особенно индукционных пароперегревателей, поскольку для достижения максимального КПД в конструкциях для вторичной трубчатой обмотки используются металлы с высокой электро- и теплопроводностью, но такие металлы не обладают жаропрочностью и жаростойкостью, необходимыми при работе на высоких температурах нагрева. Кроме того, не предусмотрена защита от накипи.
В процессе работы пароперегревателей и другого теплотехнического оборудования при использовании воды на поверхностях нагрева образуются твердые отложения. Они обладают высокими механическими свойствами и низкой теплопередающей способностью и поэтому являются причиной ряда технических сложностей и отдельных затрат при эксплуатации.
Во-первых, отложения приводят к значительному перерасходу энергии потребления и снижению коэффициента полезного действия.
Во-вторых, если не убирать отложения, то постепенно прекращается работа аппарата из-за уменьшения сечения труб, увеличивая их гидросопротивление.
В-третьих, низкая теплопередача приводит к сильному перегреву металла поверхностей нагрева из-за чего на трубах появляются трещины, вздутия и деформации.
Все это вместе взятое приводит к существенному сокращению срока службы аппаратов в 2-3 раза.
Таким образом, создание высокотемпературного пароперегревателя возможно только путем радикального изменения конструкции нагревательной вторичной обмотки.
В этом случае достигается возможность нормальной длительной эксплуатации вторичной трубчатой обмотки в соответствии с предъявляемыми к ней требованиями, включая повышение рабочей температуры до 1000°С и выше и необходимого рабочего давления.
При работе известных прямоточных парогенераторов происходит резкое падение надежности работы труб при повышении давления пара и особенно температуры нагрева. Это является препятствием для создания высокотемпературных устройств (пароперегревателей).
Технической проблемой настоящего изобретения является существенное повышение надежности пароперегревателя для производства пара высокой температуры и различного давления.
Технический результат, достигаемый изобретением и позволяющий решить указанную проблему, заключается в обеспечении очищения поверхности трубчатой вторичной обмотки и удаления отложений в процессе работы пароперегревателя, а также в улучшении теплопередачи.
Технический результат достигается тем, что в высокотемпературном индукционном пароперегревателе, содержащем ферромагнитный сердечник с по меньшей мере одной первичной обмоткой, трубчатую вторичную обмотку с по меньшей мере одним короткозамкнутым витком, согласно изобретению трубчатая вторичная обмотка представляет собой электрогазокинетический преобразователь электрической энергии в акустическую и включает внутреннюю металлическую трубу, покрытую слоем высокотемпературной керамики со сквозными порами с эффективным диаметром от 5 до 300 нм, и слой жаропрочного металла поверх слоя керамики, при этом внутренняя металлическая труба и слой жаропрочного металла подключены к источнику электрических импульсов.
При этом внутренняя металлическая труба предпочтительно выполнена из меди.
Кроме того, высокотемпературная керамика представляет собой керамику на основе карбида кремния, или диоксида циркония, или оксида алюминия, или нитрида бора.
При этом жаропрочный металл может представлять собой никель, или триалюминийниобий, или пористый алюминийникель, или пористый никелид алюминия.
Решение вопроса защиты от отложений является важнейшим вопросом, связанным с эксплуатацией пароперегревателя и получением высокотемпературного пара.
Обычно для защиты от отложений проводится предварительное умягчение воды (химическое, фильтрационное).
Известен физический безреагентный способ предупреждения образования и удаления солевых отложений в теплообменных устройствах путем создания акустических ультразвуковых колебаний в стенках труб теплообменных аппаратов и различные устройства для его осуществления (см, например, статья в Интернете «Описание ультразвуковой технологии. Рекомендации по применению и подбору акустических противонакипных устройств «Акустик-Т2», «Акустик-Т4», https://www.proektant.ru/content/2597.html , размещено 04.02.2013, а также патенты RU 84268 U1, RU 2350878 C2). В известных устройствах для создания ультразвуковых колебаний соединенный с магнитострикционным преобразователем излучатель ультразвука, приваривают к трубе или трубной доске теплообменника.
Использование предлагаемого физического безреагентного метода защиты и удаления отложений позволит решить поставленные задачи наиболее эффективно. В предлагаемом изобретении используется акустический метод предотвращения отложений (накипи), основанный на электрогазокинетическом эффекте - способе преобразования электрического напряжения в акустические колебания в широком диапазоне частот (эффект описан в статье Андрианов С.А. Туннельный кинетический эффект. "МИС-РТ"-2016 Сборник №60-1 https://ikar.udm.ru/mis-rt.htm , в международной публикации WO 2008/057004, опуб. 15.05.2008 и в патентах CN 101573189 B, опуб. 09.05.2012 и US 8085957 B2, опуб. 27.12.2011).
Под воздействием акустических колебаний соли жесткости кристаллизуются непосредственно в объеме воды, образуя мелкодисперсный шлам, а колебания поверхности нагрева препятствует осаждению шлама на стенках труб. Поэтому шлам находится во взвешенном состоянии и удаляется из высокотемпературного пароперегревателя в ходе работы.
Акустические колебания воздействуют на поверхность нагрева, создают знакопеременные механические усилия, под влиянием которых прочность между отложениями и металлом нарушается и образуются мелкие дефекты сплошной структуры. Вода под действием капиллярных сил проникает через трещины-капилляры, где она мгновенно испаряется, вызывая вспучивание и отслаивание отложений. Содержащиеся в воде газовые пузырьки, также попадая в дефекты между отложениями и металлом, начинают колебаться с частотой, ослабляя сцепление накипи с металлом. Отслоившиеся мелкие частицы и чешуйки удаляются в потоке. Происходит очищение и удаление отложений в процессе работы.
Акустические колебания в широком диапазоне частот (20 Гц-150 кГц) также увеличивают теплопередачу греющей поверхности за счет повышения скорости потока воды из-за снижения гидродинамического сопротивления труб с колеблющимися стенками (А.М. Гистлинг, А.А. Барам. Ультразвук в процессах химической технологии. Ленинград, ГХИ, 1960, с. 67). Улучшается отвод пузырьков пара от поверхности нагрева и дегазации воды вследствие лучшего перемешивания пристенного слоя жидкости, что также способствует увеличению теплопередачи.
Трубы поверхностей нагрева имеют естественные дефекты - узкие микронные щели и трещины, где в обычных условиях сохраняется кислород воздуха. При акустическом воздействии в широком диапазоне частот кислород легко выходит из этих щелей в результате чего исключается один из механизмов кислородной коррозии металла труб. Также происходит деформация наиболее податливых участков поверхности вблизи микротрещин. Благодаря этим деформациям происходит наклеп краев трещины, в результате чего они оказываются закрытыми и не подверженными проникновению в них кислорода при сливе воды из оборудования. Внутренняя поверхность труб становится гладкой, и полная площадь ее резко уменьшается, что приводит и к уменьшению вероятности коррозии. Получаемый эффект коррозионной защиты в определенной мере заменяет пассивирование внутренней поверхности труб.
В предложенном устройстве использование электрогазокинетического эффекта обеспечивает возможность получения пара с температурой до 1200°С в отличие от известных методов использования акустических колебаний для защиты труб от отложений, которые могут обеспечить получение пара с температурой только до 200°С.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан предлагаемый пароперегреватель.
На фиг. 2 - трубчатая вторичная обмотка, осевой разрез.
Высокотемпературный индукционный пароперегреватель (фиг. 1) содержит ферромагнитный сердечник 1 со стержнями, на которых расположены первичные обмотки 2. Ферромагнитный сердечник 1 может содержать один и более стержней с первичными обмотками 2. На рисунке показан пример с двумя первичными обмотками 2.
Первичные обмотки 2 подсоединяются к источнику электрического тока. Общая трубчатая вторичная обмотка 3 изолирована в магнитном поле и свернута так, что охватывает стержни ферромагнитного сердечника 1 и первичные обмотки 2. Вторичная обмотка 3 вокруг каждого стержня имеет один или несколько короткозамкнутых витков. Замыкающая витки перемычка подсоединена к подводящему и отводящему патрубкам трубчатой вторичной обмотки 3 (на чертежах не показано).
Трубчатая вторичная обмотка 3 подсоединяется к средствам для подачи воды.
Функция первичных обмоток 2 заключается в том, чтобы генерировать переменное магнитное поле. Обмотки 2 возбуждают магнитное поле, которое, проходя через металл теплообменника, образованного трубчатой вторичной обмоткой 3, возбуждает в нем вихревые токи, которые его разогревают, а тепло снимается водой с принудительной циркуляцией, которая при нагреве переходит в пар.
Трубчатая вторичная обмотка 3 (фиг. 2) представляет собой электрогазокинетический преобразователь электрической энергии в акустическую. Он состоит из внутренней рабочей металлической трубы 4, например, медной, покрытой по всей длине слоем 5 пористой керамики, поверх которой нанесен слой 6 жаропрочного металла. Это есть общая конструкция электрогазокинетического излучателя акустических колебаний. Металлические слои представляют собой электроды, которые подключены к генератору напряжения.
Для слоя 5 пористой керамики может быть использована высокотемпературная керамика, например, на основе карбида кремния, или диоксида циркония, или оксида алюминия, или нитрида бора.
Для внешнего слоя 6 жаропрочного металла может быть использован никель, или триалюминийниобий, или альфа-трипалладийниобий, или пористый алюминийникель, или пористый никелид алюминия, или иной жаропрочный металл.
Слой 5 пористой керамики представляет собой микро- или нанопористую матрицу с системой сквозных капиллярных микро(нано)пор с эффективным диаметром от 5 до 300 нм. Толщина слоя может составлять от 0,5 до 300 мкм.
Используя различные технологические приемы, можно изготовить слой с заданной текстурой, т.е. определенной общей пористостью, распределением открытой и закрытой пористости, определенным размером пор, распределением пор по размерам, а также формой пор. Эксперименты показали, что электрогазокинетический эффект имеет место в сквозных порах любой конфигурации и любого эффективного диаметра из вышеуказанного интервала.
Трубчатая вторичная обмотка 3 может быть выполнена, например, из медной трубы 3/4 EN-12735-1 19х0,89, на которую наносится слой пористой керамики, например, на основе карбида кремния толщиной 0,5-1,0 мм. На керамический слой наносится слой жаропрочного металла из вышеуказанных. Толщина слоя металла может составлять от 0,5 до 500 мкм.
Металлические обкладки - труба 4 и слой 6 металла подключены к источнику 7 электрических импульсов, например, преобразователю напряжения, который может быть выполнен, например, в виде генератора высоковольтных импульсов, например, с регулируемой частотой и скважностью, например в виде индуктивно-транзисторного блокинг-генератора, или в виде высоковольтного резонансного трансформатора Тесла, и (или) реверсивного типа, причем диапазон изменения амплитуды, скважности и частоты этих импульсов выбирают из условия обеспечения максимальной производительности.
Предлагаемый высокотемпературный индукционный парогенератор работает следующим образом.
Подают воду под давлением через подводящий патрубок во внутреннюю полость общей трубчатой вторичной обмотки 3. Затем первичные обмотки 1 через отводы 8 подключают к сети переменного тока. В результате этого первичные обмотки 2 индуцируют в стержнях сердечника 1 переменный магнитный поток. Под действием переменного магнитного потока в короткозамкнутых вокруг каждого стержня витках общей трубчатой обмотки 3 индуцируется сильный ток, нагревающий трубчатую вторичную обмотку 3. Тепловая энергия переходит к воде, движущейся во внутренней полости трубчатой вторичной обмотки 3, в которой в которой происходит испарение воды, и полученный пар выходит через отводящий патрубок.
При подаче импульсного напряжения на металлические обкладки - трубу 4 и слой 6 металла - возникает акустическое поле, которое воздействует на воду.
Предложенный парогенератор позволяет получить пар высокой температуры до 1200°С. При этом в трубчатой вторичной обмотке не образуется накипь.
Изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности пароперегревателя для производства пара высокой температуры, увеличение срока службы в 2-3 раза, быстрое и экономичное получение пара, простоту и компактность парогенератора, снижение энергоемкости.